JP2020167833A - ワイヤレス受電装置および電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】送信コイルの位置を検出可能なワイヤレス受電装置を提供する。【解決手段】受電装置300は、送電装置200からの電力信号STXを受信する。受信アンテナ310は、受信コイル312を含む。整流回路320は、受信アンテナ310の電流を整流する。複数の位置検出コイル316は、受信コイル312の近傍またはそれとオーバーラップして設けられる。位置検出部350は、複数の位置検出コイル316の電流にもとづき、複数の位置検出コイル316とワイヤレス送電装置200の送信コイル202との位置関係を検出する。【選択図】図3

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関し、特にコイルの位置検出に関する。
近年、電子機器への給電方式として、ワイヤレス給電が普及し始めている。ワイヤレス給電には、電磁誘導(MI:Magnetic Induction)方式と磁気共鳴(MR:Magnetic Resonance)方式の2つの方式が存在するが、MI方式では、現在、(1)WPC(Wireless Power Consortium)が策定した規格「Qi」と、(2)PMA(Power Matters Alliance)が策定した規格(以下、PMA)が主流となっている。
MI方式のワイヤレス給電は、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装置で構成される。
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、ドライバ24、送電コントローラ26、復調器28を備える。ドライバ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。送電コントローラ26は、送電装置20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24のスイッチング周波数、スイッチングのデューティ比、位相などを制御することにより、送信電力を変化させる。
受電装置30は、受信コイル(2次コイル)32、整流回路34、平滑コンデンサ36、変調器38、負荷40、受電コントローラ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。整流回路34および平滑コンデンサ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VRECTを昇圧あるいは降圧し、受電コントローラ42やその他の負荷40に供給する。
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。
電力制御について説明する。受電装置30の受電コントローラ42は、送電装置20からの電力供給量(送信電力)を制御する電力制御データを生成する。たとえば受電コントローラ42は、平滑コンデンサ36の電圧VRECTがその目標値(DP:Desired Point)に近づくように電力制御パケットを生成する。変調器38は、電力制御パケットにもとづいて、受信コイル32の電流(あるいは電圧)を変調する。これにより受信コイル32が送信アンテナとなり、制御信号S3が送信される。
送電装置20において、送信コイル22には、制御信号S3に応じた電流成分が流れる。復調器28は、送信コイル22の電流あるいは電圧に含まれる制御信号S3を復調する。送電コントローラ26は、復調された制御信号S3に含まれる電力制御データが指示する送信電力が得られるように、ドライバ24を制御する。
このようにしてQi規格に準拠した給電システム10では、受電装置側が要求する電力と一致するように送信電力がフィードバック制御される。PMA規格においても同様に、送信電力がフィードバック制御される。
図2は、充電器50と電子機器60を示す図である。電子機器60は、充電器50の充電台52の上に載置される。充電器50の充電台52の下には、図1の送信コイル22が設けられている。
充電効率は、送信コイル22と受信コイル32の結合係数(結合度)の影響を受ける。結合係数を高めるためには、送信コイル22と受信コイル32がうまくオーバーラップするように、電子機器60を充電台52に置く必要がある。しかしながら、送信コイル22も受信コイル32も筐体の内部に設けられており、目視できないことから、適当に電子機器60を置いただけでは、充電効率が低くなるおそれがある。
特開2013−38854号公報 特許第5071574号公報 国際公開WO2017/145603
もし、電子機器60が、内蔵する受信コイル32と、送信コイル22の相対的な位置関係を検出することができれば、電子機器60のユーザに対して、端末の位置が不適切であることを通知したり、端末の位置を修正するように促すことができる。
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、送信コイルの位置を検出可能なワイヤレス受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からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、受信コイルを含む受信アンテナと、受信アンテナの電流を整流する整流回路と、受信コイルの近傍またはそれとオーバーラップして設けられた複数の位置検出コイルと、複数の位置検出コイルの電気的状態を示す検出信号にもとづき、複数の位置検出コイルとワイヤレス送電装置の送信コイルとの位置関係を検出する位置検出部と、を備える。
複数の位置検出コイルにはそれぞれ、送信コイルが発生する磁束(磁界)のうち、それと鎖交する一部に応じた電流が流れる。したがって、複数の位置検出コイルの電流(あるいはそれにもとづくコイル電圧)の相対的な関係にもとづいて、送信コイルの位置を推定できる。
複数の位置検出コイルは、受信コイルの内側に設けられてもよい。位置検出コイルを送信コイルに重ねないことにより厚みが増すのを抑制できる。
複数の位置検出コイルは、受信コイルの最内周の巻線に沿って設けられてもよい。複数の位置検出コイルは、受信コイルの中心近傍に集中して配置してもよい。
複数の位置検出コイルは、受信コイルの外側に設けられてもよい。位置検出コイルを送信コイルに重ねないことにより厚みが増すのを抑制できる。
複数の位置検出コイルは、受信コイルの最外周の巻線に沿って設けられてもよい。
複数の位置検出コイルは3個以上であってもよい。これにより、受信コイルの2次元の位置情報を得ることができる。
複数の位置検出コイルは、受信コイルの中心から等距離に配置されてもよい。
受信コイルは円形コイルであり、複数の位置検出コイルは4個であり、受信コイルの円周方向に均等に配置されてもよい。複数の位置検出コイルは4個であり、送信コイルの円周方向に均等に配置されてもよい。これにより、受信コイルの2次元の位置情報を得ることができる。
位置検出部は、複数の位置検出コイルに対応し、それぞれが、対応する位置検出コイルの電気信号の振幅を検出する複数の振幅検出回路を含んでもよい。
複数の振幅検出回路はそれぞれピークホールド回路を含んでもよい。
位置検出部は、複数の振幅検出回路の出力にもとづいて、送信コイルの位置を検出する演算処理部を含んでもよい。
本発明の別の態様は、電子機器に関する。この電子機器は、上述のいずれかのワイヤレス送電装置を備える。電子機器はさらに、ワイヤレス受電装置が検出した前記送信コイルの位置情報にもとづいて、電子機器のユーザに、電子機器の位置が不適切である旨を通知する、および/または電子機器の位置を動かすように促す通知部をさらに備えてもよい。これにより高効率な充電が可能となる。
本発明の別の態様もまた、電子機器である。この電子機器は、ワイヤレス送電装置からの電力信号を受信するとともに、ワイヤレス送電装置の送信コイルの位置を検出可能なワイヤレス受電装置と、ワイヤレス受電装置が検出した送信コイルの位置にもとづく情報を、ユーザに通知する通知部と、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、送信コイルの位置を検出できる。
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。 充電器と電子機器を示す図である。 実施の形態に係る電子機器を備える給電システムのブロック図である。 図4(a)、(b)は、電子機器の動作を説明する図である。 図5(a)、(b)は、電子機器の動作を説明する図である。 図6(a)〜(d)は、受信アンテナのレイアウトを示す図である。 位置検出部の構成例を示す回路図である。 振幅検出回路の構成例を示す回路図である。 電子機器のディスプレイを示す図である。
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、実施の形態に係る電子機器500を備える給電システム100のブロック図である。給電システム100は、送電装置200(TX、Power Transmitter)と受電装置300(RX、Power Receiver)とを備える。受電装置300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500に搭載される。
送電装置200は、たとえば充電台を有する充電器に搭載される。送電装置200は、送信アンテナ201を備え、送信アンテナ201から、無線の電力信号STXを送信する。送電装置200および受電装置300は、Qi規格とPMA規格の少なくとも一方に準拠する。
受電装置300は、送電装置200からの電力信号STXを受信する。受電装置300は、受信アンテナ310、整流回路320、電源回路330、受信コントローラ340を備える。
受信アンテナ310は、受信コイル312および共振キャパシタ314を備える。共振キャパシタ314の容量値は、受信アンテナ310の共振周波数を、電力信号STXの周波数fTXに同調するよう定められる。電力信号STXの磁界のうち、受信コイル312と鎖交する成分によって、受信コイル312には交流の誘導電流(コイル電流)が流れる。整流回路320は、コイル電流を整流し、直流電圧VRECTに変換する。直流電圧VRECTは、大容量の平滑キャパシタ322によって平滑化される。
電源回路330は、直流電圧VRECTを受け、所定の電圧レベルに安定化された直流電圧VOUTを生成し、負荷回路510に供給する。
負荷回路510は、バッテリ512、充電回路514、電源回路520、プロセッサ530、通知部540等を含む。充電回路514は、直流電圧VOUTを受け、バッテリ512を充電する。電源回路520は、バッテリ電圧あるいは充電回路514が生成する電圧を受け、その他の回路ブロックに供給すべきひとつあるいは複数の電源電圧を生成する。
プロセッサ530は、電子機器500を統合的に制御する。通知部540は、ユーザに情報を提示するためのユーザインタフェースであり、たとえばスピーカやディスプレイ、ランプなどが例示される。
受信アンテナ310は複数N個の位置検出コイル316_1〜316_Nをさらに含む。位置検出コイル316の個数Nは特に限定されないが、3個以上を非直線状に配置することで、X方向とY方向の2次元的な位置情報を得ることができる。本実施の形態ではN=4である。複数の位置検出コイル316_1〜316_Nは、受信コイル312の近傍またはそれとオーバーラップして設けられる。
複数の位置検出コイル316_1〜316_Nは、受信コイル312の中心313から等距離に、かつ対称に配置することが好ましい。これにより、送信コイル202の位置ズレを検出しやすくなる。
位置検出部350は、複数の位置検出コイル316_1〜316_4の電気的状態を示す検出信号Ss1〜Ss4にもとづき、ワイヤレス送電装置200の送信コイル202との位置関係を検出する。検出信号Ssは、コイル電流あるいはコイル電圧でありうる。もっとも簡易には、位置検出部350は、送信コイル202の位置ズレの有無のみを判定可能に構成してもよい。
以上が電子機器500の構成である。続いて図4、図5を参照してその動作を説明する。図4(a)、(b)は、電子機器500の動作を説明する図である。図4(a)、(b)は、コイルの位置ズレのない理想的な状態を示す。図4(a)は、送信コイル202と受信コイル312の物理的な位置関係を示しており、それらの中心203、313が一致している。
上述のように、複数の位置検出コイル316_1〜316_Nは、受信コイル312の中心313から等距離に配置される。また送信コイル202が発生する磁界は送信コイル202の中心203に関して対称である。したがって図4(a)の理想的な状態にあるとき、複数の位置検出コイル316_1〜316_Nが感じる磁界は等しくなる。したがって図4(b)に示すように、検出信号Ss1〜SsNは等しくなる。つまり、複数の検出信号Ss1〜SsNが均一であるときに、位置ズレがない理想状態と推定することができる。
図5(a)、(b)は、電子機器500の動作を説明する図である。図5(a)、(b)は、コイルの位置ズレが生じている状態を示す。位置ズレが生ずると、複数の位置検出コイル316_1〜316_Nが感じる磁界が不均一となるため、検出信号Ss1〜SsNにアンバランスが生ずる。つまり検出信号Ss1〜Ss4の関係にもとづいて、位置ズレを検出することができる。なお、検出信号Ss1〜Ss4が、送信コイル202の位置に応じてどのように変化するかは、各コイルの形状や位置によって決まるものであり、図4(b)や図5(b)の関係は例示に過ぎない。
位置検出部350は、位置ズレの有無をプロセッサ530に通知する。プロセッサ530は、通知部540を利用してユーザに、位置ズレの有無を通知することができる。
以上が電子機器500の動作である。この電子機器500によれば、複数の位置検出コイル316_1〜316_4の検出信号Ss1〜Ss4の相対的な関係にもとづいて、送信コイル202の位置を推定できる。そして位置ズレの可能性がある場合には、ユーザに通知して、電子機器500の位置の修正を促すことにより、充電効率を高めることができる。
ここまでの説明では、送信コイル202の位置ズレの有無を検出することとしたが、より高度に、位置検出部350は、送信コイル202の座標(たとえばその中心203の座標)を検出可能に構成されてもよい。
たとえば、受電装置300あるいは電子機器500の設計段階において、予め、送信コイル202を中心位置p(x,y)を変化させながら、検出信号Ss1〜Ss4のセットを測定しておき、それらの関係をテーブルに保持しておいてもよい。あるいは、それらの関係にもとづいて、x座標とy座標を示す計算式(関数)を導出し、位置検出部350に保持しておいてもよい。
x=f(Ss1,Ss2,Ss3,Ss4)
y=f(Ss1,Ss2,Ss3,Ss4)
あるいは、送信コイル202の形状や巻数、受信コイル312の形状や巻数をパラメータとして与えれば、送信コイル202が発生する磁界のxy平面の強度分布は、送信コイル202の位置ごとに電磁界シミュレータで計算することができる。さらに複数の位置検出コイル316の位置やコイル形状を与えることにより、各位置検出コイル316に流れる電流を計算することができる。このように、計算機シミュレーションによって、送信コイル202の位置と、複数の位置検出コイル316の検出信号Ss1〜SsNの関係を取得しておいてもよい。
このテーブルあるいは演算式は、送電装置200の種類毎(あるいは送信コイル202のサイズごと)に保持しておいてもよい。
続いて受信アンテナ310のレイアウトをいくつかの実施例を参照して説明する。
図6(a)〜(d)は、受信アンテナ310のレイアウトを示す図である。図6(a)のレイアウトでは、複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、受信コイル312の内側に設けられる。複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、中心313から等距離に配置され、周方向にも等間隔に配置される。たとえば複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、最内周の巻線W1に沿って設けることができる。
図6(b)のレイアウトでは、複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、図6(a)と同様に受信コイル312の内側に設けられる。複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、中心313に集中的に配置されている。
図6(c)のレイアウトでは、複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、受信コイル312の外側に設けられる。たとえば複数の位置検出コイル316_1〜316_4は受信コイル312の最外周の巻線W2に沿って設けることができる。
図6(d)のレイアウトでは、複数の位置検出コイル316_1〜316_4は、受信コイル312と重ねて配置される。
続いて、位置検出部350の構成例を説明する。図7は、位置検出部350の構成例を示す回路図である。位置検出部350は、複数の位置検出コイル316_1〜316_Nに対応する複数の振幅検出回路352_1〜352_Nを備える。各振幅検出回路352_i(i=1,2…N)は、対応する位置検出コイル316_iの検出信号Ssiの振幅を示す振幅信号Asiを生成する。この振幅信号Asiは、対応する位置検出コイル316_iに入射する電力信号の磁界成分の強さを表す。振幅信号AsiはA/Dコンバータ354_iによってデジタル信号Dsiに変換される。
演算処理部360は、複数のデジタル信号Ds1〜DsNにもとづいて、送信コイル202の位置を検出する。なお演算処理部360の機能は、プロセッサ530に実装してもよい。
図8は、振幅検出回路352_iの構成例を示す回路図である。位置検出コイル316_iに流れる電流(あるいは位置検出コイル316_iに発生する電圧)は、ダイオードD1により整流される。位置検出コイル316_iとダイオードD1の間には、回路保護用の制限抵抗R1が設けられる。振幅検出回路352は、ピークホールド回路を含む。具体的には、振幅検出回路352の出力である振幅信号Asiを、コンパレータ370によって、その入力である検出信号Ssiと比較し、Asi>Ssiであるとき、トランジスタ372をオンして、キャパシタ374を充電する。キャパシタ374の電圧は、抵抗376を介して緩やかに放電される。抵抗376の抵抗値はピークホールドの時定数を規定する。キャパシタ374には、検出信号Ssiの振幅(すなわちピーク)に応じた電圧が発生する。キャパシタ374の電圧Vciは、最終段のバッファ378を介して出力される。
なお振幅検出回路352の構成は図8のそれには限定されず、公知のさまざまな回路を用いることができる。
電子機器500は、ディスプレイあるいは音声で、受信アンテナ310の位置ズレを、電子機器500のユーザに報知することができる。
図9は、電子機器500のディスプレイ600を示す図である。ディスプレイ600は、通知部540の一例である。プロセッサ530は、コイルの位置ズレを検出すると、位置ズレの修正を促すメッセージ602をディスプレイ600に表示する。この際、ブザー音や音声メッセージを再生してもよい。
位置検出部350によって、送信コイル202の位置ズレの方向が検出可能である場合、メッセージ602は、端末を移動すべき方向の情報を含むことができる。
またメッセージ602に加えて、またはそれに代えて、位置ズレの修正を促す画像604をディスプレイ600に表示ししてもよい。位置検出部350によって、受信アンテナ310と送信コイル202の相対的な位置関係が検出できる場合、言い換えれば充電台と端末の位置関係が検出できる場合、画像604内の充電台と端末には、検出された位置関係を反映してもよい。
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。
100 給電システム
200 送電装置
202 送信コイル
300 受電装置
310 受信アンテナ
312 受信コイル
314 共振キャパシタ
316 位置検出コイル
320 整流回路
330 電源回路
350 位置検出部
340 受信コントローラ
510 負荷回路
512 バッテリ
514 充電回路
520 電源回路
530 プロセッサ
540 通知部
S1 駆動信号
S2 電力信号
S3 制御信号
S5 検出信号
S21 接近信号
300 受電装置
302 受信コイル
400 充電器
402 筐体
404 充電台
406 回路基板
500 電子機器

Claims (15)

  1. ワイヤレス送電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
    受信コイルを含む受信アンテナと、
    前記受信アンテナの電流を整流する整流回路と、
    前記受信コイルの近傍またはそれとオーバーラップして設けられた複数の位置検出コイルと、
    前記複数の位置検出コイルの電気的状態を示す検出信号にもとづき、前記複数の位置検出コイルと前記ワイヤレス送電装置の送信コイルとの位置関係を検出する位置検出部と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
  2. 前記複数の位置検出コイルは、前記受信コイルの内側に設けられることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。
  3. 前記複数の位置検出コイルは、前記受信コイルの最内周の巻線に沿って設けられることを特徴とする請求項2に記載のワイヤレス受電装置。
  4. 前記複数の位置検出コイルは、前記受信コイルの外側に設けられることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。
  5. 前記複数の位置検出コイルは、前記受信コイルの最外周の巻線に沿って設けられることを特徴とする請求項4に記載のワイヤレス受電装置。
  6. 前記複数の位置検出コイルは3個以上であ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受電装置。
  7. 前記複数の位置検出コイルは、前記受信コイルの中心に対して対称に配置されることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
  8. 前記受信コイルは円形コイルであり、
    前記複数の位置検出コイルは4個であり、前記受信コイルの円周方向に均等に配置されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
  9. 前記位置検出部は、前記複数の位置検出コイルに対応し、それぞれが、対応する位置検出コイルの検出信号の振幅を検出する複数の振幅検出回路を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
  10. 前記複数の振幅検出回路はそれぞれピークホールド回路を含むことを特徴とする請求項9に記載のワイヤレス受電装置。
  11. 前記位置検出部は、前記複数の振幅検出回路の出力にもとづいて、前記送信コイルの位置を検出する演算処理部を含むことを特徴とする請求項9または10に記載のワイヤレス受電装置。
  12. Qi規格とPMA規格の少なくとも一方に準拠したことを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
  13. 請求項1から12のいずれかに記載のワイヤレス受電装置を備えることを特徴とする電子機器。
  14. 前記ワイヤレス受電装置が検出した前記送信コイルの位置情報にもとづいて、前記電子機器のユーザに、前記電子機器の位置が不適切である旨を通知する、および/または前記電子機器の位置を動かすように促す通知部をさらに備えることを特徴とする請求項13に記載の電子機器。
  15. ワイヤレス送電装置からの電力信号を受信するとともに、前記ワイヤレス送電装置の送信コイルの位置を検出可能なワイヤレス受電装置と、
    前記ワイヤレス受電装置が検出した前記送信コイルの位置にもとづく情報を、ユーザに通知する通知部と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
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