JP5997554B2 - ワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明はワイヤレス電力伝送装置に関する。
近年、携帯機器向けの電磁誘導型ワイヤレス電力伝送装置が普及しつつある。送電器に内蔵される送電コイルから発生する交流磁界により、電子機器などの受電器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。受電コイルに伝送された電力は、整流回路などを介して二次電池などの負荷に供給される。送電器の上に受電器を置くだけで受電器内の二次電池を充電することができ、電源コネクタを抜き差しする必要がないため、優れた便利性や、防水、防塵などのメリットがある。
ワイヤレス電力伝送装置においては、送電コイルから受電コイルに対する電力伝送効率を向上させることが求められる。そのためには、送電コイルに対する受電コイルの位置を正確に合わせる必要がある。これを実現するための手段の一つとして、受電コイルの位置を検出して、移動機構により送電コイルを受電コイルに接近させる方法がある。
特開2010−263663号公報
しかし、このような位置合わせ方法を用いた場合、移動機構としてモーターなどの機構部品が必要となり、構成が複雑でコストも増加してしまう。また、受電コイルの位置を検出するためのアルゴリズムも複雑になってしまう。
本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、簡素な構成で送電コイルと受電コイル間の相対位置を検出し、部材コストを低減できるワイヤレス電力伝送装置を提供することを目的とする。
本発明はこのような目的を達成するため、受電コイルに対して電磁誘導により電力を供給する送電コイルと、該受電コイルを励振する励振手段と、励振された該受電コイルから発生する交流磁界を検出する複数の検出コイルと、該送電コイルと該受電コイル間の相対位置を通知する通知手段を備え、該各検出コイルは該送電コイルの中心軸の周りに配置するとともに、該送電コイルの中心軸から離れるにつれて広がる形状であり、該通知手段は該複数の検出コイルに励起される各検出信号に基づいて該送電コイルと該受電コイル間の相対位置を通知することを特徴とする。
本発明のワイヤレス電力伝送装置は、簡素な構成で送電コイルと受電コイル間の相対位置を検出し、部材コストを低減することができる。
本発明の第1の実施形態のワイヤレス電力伝送装置 本発明の第1の実施形態のワイヤレス電力伝送装置に受電コイルを載置した状態の一例を示す図 本発明の第2の実施形態のワイヤレス電力伝送装置 本発明の第3の実施形態のワイヤレス電力伝送装置 本発明の第3の実施形態のワイヤレス電力伝送装置における位置検出動作のフローチャート 本発明の第4の実施形態のワイヤレス電力伝送装置 本発明の第5の実施形態のワイヤレス電力伝送装置
以下、本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態のワイヤレス電力伝送装置を示す図である。送電器11は、送電コイル21、励振コイル22、検出コイル31〜38、LED61〜68を備える。各コイルは送電器11内に内蔵されており、図1は送電器11を上面から見たときの各コイルおよびLEDの位置関係を示している。
送電コイル21と励振コイル22は、それぞれの中心軸が略一致するように配置されている。また、扇形の複数の検出コイル31〜38が送電コイル21の中心軸を取り囲むように配置されている。各検出コイル31〜38は、送電コイル21の中心軸に対して対称になるように配置されている。各検出コイル31〜38はそれぞれ平面で薄型の構造であり、略同一平面上に配置されている。励振コイル22は、各検出コイル31〜38の外側に配置されている。さらに、送電コイル21の中心軸に対して、各検出コイル31〜38の外方向に方向誘導用のLED61〜68がそれぞれ配置されている。各LED61〜68は、送電器11の外側に光を照射する。
図2は、本発明の第1の実施形態のワイヤレス電力伝送装置に受電コイルを載置した状態の一例を示す図である。送電器11の表面に受電コイル71を内蔵した携帯機器などの受電器が置かれる。励振コイル22は受電コイル71のエコー交流磁界を励振する。このとき、送電器11は送電コイル21に対する受電コイル71の相対位置を検出し、検出結果をユーザーに通知する。次に、送電コイル21と受電コイル71間の相対位置の検出動作について説明する。
まず、パルス電源などにより励振コイル22にパルス信号を印加する。励振コイル22と受電コイル71は磁気的に結合され、受電器の受電コイル71に電流が誘導される。この電流により発生するエコー交流磁界を各検出コイル31〜38は検出信号として検出する。送電器11に設けられるマイコンなどの制御手段は、各検出コイル31〜38がピックアップした検出信号の強度をマルチプレクサなどの切り換え器を用いて順次に読み取る。そして、各検出信号の強度の中での最大値と最小値を割り出す。また、どの検出コイルでピックアップする検出信号が最大値となるのかを割り出す。
基本的に、受電コイル71と重ねる面積が一番大きい検出コイルから検出信号の最大値が得られる。各検出コイル31〜38は送電コイル21の中心軸を取り囲むように配置されているため、検出信号の最大値をピックアップした検出コイルの位置が分かれば、送電コイル21に対する受電コイル71の方位が分かる。例えば、図2の状態においては、受電コイル71と重ねる面積が一番大きいのは、検出コイル36である。よって、検出コイル36からピックアップされる検出信号が最大値となる。このとき、送電コイル21の中心軸に対して、検出信号が最大値となる検出コイル36の反対方向に配置したLED66を点灯させる。このようにして、受電コイル71に対する送電コイル21の相対位置を通知する。つまり、受電コイル71と点灯したLEDの間に送電コイル21が位置することとなる。これにより、ユーザーは受電コイル71が内蔵された受電器を点灯したLED66の方向に動かすことで、送電コイル21と受電コイル71の相対位置を近づけることができる。
他の例として、検出コイル31でピックアップされる検出信号が最大値となる場合には、送電コイル21に対して検出コイル31の反対方向にあるLED61を点灯させる。同様に、他の検出コイルでピックアップされる検出信号が最大値となる場合には、送電コイル21に対してその検出コイルの反対方向にあるLEDを点灯させる。このように、検出信号の最大値を持つ検出コイルの反対面にあるLEDを点灯させることで、送受電コイル間の位置ずれ方向を通知できる。各検出コイル31〜38は送電コイル21の中心軸の周りを取り囲むように配置されているため、送電器11上のどの位置に受電コイル71がある場合でも、位置検出動作を行うことができる。一番大きい信号をピックアップした検出コイルに対応するいずれかのLEDを点灯させるだけなので、位置ずれ方向を計算するアルゴリズムが非常に簡単である。
受電コイル71の中心を送電コイル21の中心に近づけると、各検出コイル31〜38と受電コイル71との重ねる面積がそれぞれ次第に等しくなる。つまり、各検出コイル31〜38でピックアップする検出信号の強度の差が小さくなり、検出信号の最大値と最小値の比率が1に近づく。したがって、この比率がある閾値以下(例えば、各検出信号の最大値/各検出信号の最小値<1.2)になれば、送電コイル21と受電コイル71の中心軸が略一致した状態となる。つまり、送受電コイル間の位置が電力伝送を効率良く行うために適切な範囲内になったとみなすことができる。このとき、各LED61〜68のすべてを点灯させたり、点滅させたり、発光色を変えるなどして、送受電コイル間の相対位置が適切な範囲内になったことを通知する。これにより、送電コイル21から受電コイル71に対して効率良く電力伝送することができる。
位置ずれ方向の通知動作は、送受電コイル間の位置合わせが終了したと判断されるまで、所定の周期で繰り返し行われる。位置合わせが終了したとみなされると、次のステップとしての送電器11と受電器間のID認証を行ってから、送電コイル21から受電コイル71に対して電力伝送する送電モードに移行する。
このように、各検出コイル31〜38は送電コイル21の中心軸の周りを取り囲むように配置するとともに、送電コイル21の中心軸から離れるにつれて広がるような形状とした。このような形状にすることで、送電器11上のどの位置に受電コイル71が置かれた場合にも方向誘導の信頼性を高めることができる。特に、送電コイル21の中心軸を基準にして円を8等分した略扇形状にすることで、隣り合う検出コイルの間に隙間ができず、エコー信号の検出感度が向上する。また、各検出コイル31〜38は送電コイル21の中心に対して点対称に配置されるため、方向誘導の信頼性がより高まる。このように、各検出コイル31〜38の形状は、送電コイル21の中心から放射状に広がる形状にするのが好ましい。
隣り合う検出コイルの間の隙間が小さくなるように、隣り合う検出コイルの少なくとも一部を隣接させて配置することが好ましい。隣り合う複数の検出コイルの少なくとも一部を隣接するように配置するのであれば、各検出コイル31〜38の形状は扇形状以外にしてもよい。例えば、各検出コイル31〜38の円弧部を直線状に形成したり、円弧の両端を結ぶ2直線を曲線状に形成したりしてもよい。また、検出コイルの数は8個に限らず、偶数もしくは奇数個にしても構わない。例えば、送受電コイル間の位置ずれ通知の方向を5方向としたい場合には、検出コイルおよびLEDの数を5個にすればよい。各検出コイルは、送電コイル21の中心に対して点対称や線対称、回転対称になるような形状、配置にするのが好ましい。例えば、各検出コイルは送電コイル21の中心軸を基準にして、円を方向誘導したい方向の数で等分した形状などにすればよい。
また、受電コイル71に対する送電コイル21の位置ずれ方向を通知する構成にすることで、モーターなどの移動機構が必要なくなる。そのため、構成を簡素化できるとともにコストを低減することができる。また、各LED61〜68を送電コイル21の中心軸に対して各複数の検出コイル31〜38の外方向にそれぞれ配置した。これにより、受電器を送電器11の中央付近に置いたときに、LED61〜68の光が受電器で遮られるのを防止できる。
なお、送受電コイルの位置ずれ方向を通知する手段としてLEDを用いたが、代わりに他の発光素子を用いてもよい。他にも、送受電コイル間の位置ずれ方向を通知できるのであれば、位置ずれの方向を音声で知らせたり、ディスプレイを設けて位置ずれの方向を表示したりするなど、どのような方法を用いても構わない。いずれかのLEDを点灯させるのではなく、点滅させたり、発光色を変えたりしてもよい。また、送受電コイル間の位置合わせが終了したときにも、LEDの点灯などで通知するだけでなく、音や振動、ディスプレイに表示するなど、他の方法を用いても構わない。
また、受電コイル71を励振するときに、励振手段としてパルス信号が供給される励振コイル22を用いたが、検出コイル31〜38を励振コイルとして兼用することもできる。例えば、検出コイル31にパルス信号を印加し、受電コイル71から励起されたエコー信号を検出コイル31によりピックアップする。次に、検出コイル32にパルス信号を印加し、受電コイルから励起されたエコー信号を検出コイル32によりピックアップする。こうして、各検出コイルから順次にエコー信号を取り出すことができる。
なお、本実施形態では複数の検出コイル31〜38を送電コイル21の中心軸を取り囲むように配置しているが、例えば検出コイル31と検出コイル35といった具合に、受電コイル71の一方向のみの位置ずれを検出できる様に、送電コイル21の中心軸の周りに2つ以上の検出コイルを配置してもよい。
(第2の実施形態)
次に、図3に本発明の第2の実施形態のワイヤレス電力伝送装置を示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。送電器12は、複数の検出コイル31〜38の内側に平面で薄型の略円形状の検出コイル39を備える。
送電コイル21と略円形状の検出コイル39は、それぞれの中心軸が略一致するように配置されている。略円形状の検出コイル39と各検出コイル31〜38は、部分的に重なり合うように形成されている。略円形状の検出コイル39は、各検出コイル31〜38と同様に、励振コイル22にパルス信号を印加したときに受電コイルから発生するエコー信号を検出する。
送受電コイル間の位置がずれているときの位置検出動作は、第1の実施形態と同じである。第2の実施形態では、送受電コイル間の位置が略一致したと判断するのに基本的に第1の実施形態と同様に各検出コイル31〜38がピックアップした検出信号を用いる。しかし、それがうまくいかない場合、略円形状の検出コイル39がピックアップした検出信号を用いる。
ワイヤレス電力伝送装置を汎用的に使用するためには、受電コイルのサイズや特性などが異なる多様な受電器に対応しなければならない。そのため、同じパルス信号で励振コイル22を駆動したときに、受電コイルから励起されるエコー信号が強い物があれば、弱い物もある。送電コイル21の中心に受電コイルが近づくと、扇型の各検出コイル31〜38と受電コイルの重ねる面積が次第に小さくなる。そのため、各検出コイル31〜38で検出される検出信号の強度も次第に弱くなる。受電コイルから発生するエコー信号がそもそも弱いタイプの受電器、例えば、送電コイル21に対して受電コイルのサイズが随分小さい場合、各検出コイル31〜38でエコー信号を検出しにくいことがあり得る。8個の扇型の検出コイル31〜38の他に、送電コイル21と同心円になる小型の円形検出コイル39を設けることで、この問題を解決することができる。つまり、各検出コイル31〜38が完全にエコー信号を検出できなくても、中央にある略円形状の検出コイル39でエコー信号を検出できれば、送受電コイル間の位置が略一致したとみなすことができる。そして、LED61〜68のすべてを点灯させたり、点滅させたり、発光色を変えるなどして、送受電コイル間の相対位置が適切な範囲内になったのを通知する。このようにして、送電コイル21と受電コイルとの位置合わせが終了したと判断できる。
このように、送電コイル21と同心円状に円形の検出コイル39を配置し、この検出コイル39および検出コイル31〜38でピックアップした検出信号を併用して、送受電コイル間の相対位置が略一致したのかを判断する。これにより、受電コイルのサイズや特性などが異なる多様な受電器に対応することができ、送電器12の汎用性を向上させることができる。なお、検出コイル39は円形状ではなく、八角形など別の形状にしても構わない。
なお、複数の検出コイル31〜38は、例えば、検出コイル31と検出コイル35といった具合に、受電コイル71の1方向のみの位置ずれを検出できる様に、受電コイル21の中心軸の周りに2つ以上の検出コイルを配置してもよい。
(第3の実施形態)
次に、図4に本発明の第3の実施形態のワイヤレス電力伝送装置を示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。送電器13は、第1の励振コイル22と同心円状に受電コイルと同サイズ程度の第2の励振コイル23を備える。
第2の励振コイル23は、第1の励振コイル22に対して内側に配置されている。送電コイル21と各励振コイル22、23の中心軸はそれぞれ略一致するように配置されている。内側の励振コイル23は外側の励振コイル22と同様にパルス電源などによりにパルス信号が供給される。
図5は、本発明の第3の実施形態のワイヤレス電力伝送装置における位置検出動作のフローチャートを示す。図5に示すフローチャートを参考に、送受電コイル間の相対位置の検出動作について説明する。ここで、扇形の検出コイル31〜38でピックアップされる検出信号をそれぞれVd1〜Vd8とする。また、略円形状の検出コイル39でピックアップされる検出信号をVd9とする。
まず、パルス電源などにより外側の励振コイル22のみにパルス信号を印加する(ステップS1)。
そして、各検出コイル31〜39で検出信号Vd1〜Vd9がピックアップされるか否かを判断する(ステップS2)。
いずれの検出信号Vd1〜Vd9も検出されない場合、パルス電源の接続を内側の励振コイル23に切り替えるなどして、内側の励振コイル23のみにパルス信号を印加する(ステップS3)。
そして、各検出コイル31〜39で検出信号Vd1〜Vd9がピックアップされるか否かを判断する。いずれの検出信号Vd1〜Vd9も検出されない場合、上述した最初のステップS1へ戻る(ステップS4)。
ステップS2およびステップS4において、各検出信号Vd1〜Vd9のいずれかが検出された場合には、検出信号Vd1〜Vd8が検出されず検出信号Vd9のみが検出されるか否かを判断する(ステップS5)。
ステップS5において、検出信号Vd9のみが検出される場合以外の場合、つまり、検出信号Vd1〜Vd8の中で、少なくとも一個の信号が検出された場合、検出信号Vd1〜Vd8中の最大値と最小値を比較し、検出信号Vd1〜Vd8の最大値と最小値の比率が1に近いか否かを判断する(ステップS6)。
ステップS6において検出信号Vd1〜Vd8の最大値と最小値の比率が1に近くない場合、送受電コイル間の位置ずれ方向を通知する。具体的には、最大値となる検出信号をピックアップした検出コイルに対して送電コイル21の方向に配置したLEDを点灯させたり、点滅させたりする(ステップS7)。
ステップS5において、検出信号Vd9のみが検出される場合、受電コイルのサイズが送電コイル21に対して随分小さく、かつ、受電コイルと送電コイル21の中心位置が略一致していると判断できるので、位置合わせ完了通知を行う。具体的には、各LED61〜68のすべてを点灯させたり、点滅させたり、発光色を変えるなどする。ステップS6において、検出信号Vd1〜Vd8の最大値と最小値の比率が1に近い場合も、同様に位置合わせ完了通知を行う(ステップS8)。
位置合わせが終了したとみなされると、さらに次のステップとしての送電器13と受電器間のID認証を行ってから、送電コイル21から受電コイルに対して電力伝送する送電モードに移行する。
本実施形態においては、受電コイルを励振させる励振コイルを同心円状に2つ配置した。内側の励振コイル23は、メインで駆動される外側の励振コイル22の補助的役割として設けられたものである。つまり、外側の励振コイル22を駆動したときにエコー信号を検出できない場合、内側の励振コイル23を駆動する。そして、送電器13の上に受電器が置かれていないか、または、受電コイルが送電コイル中心の周辺にあるかを再確認する。
前述のように、各検出コイルでピックアップする検出信号の強度は検出コイルと受電コイルのサイズや特性による一方、受電コイルと励振コイルとの結合係数にも依存する。検出エリアの拡大のためには、外側の励振コイル22を各検出コイル31〜38の外側に配置するのが好ましい。そのため、受電コイルと外側の励振コイル22のサイズの差が大きくなってしまうので、受電コイルと外側の励振コイル22の結合係数が小さくなり、受電コイルから励起されるエコー信号も相対的に弱くなる。逆に、受電コイルとの結合を強めるために励振コイルを小さくすると、受電コイルの検出エリアが狭くなってしまう。
本実施形態のように、異なるサイズの励振コイルを同心円状に複数配置し、必要に応じ併用することで、受電コイルの検出エリアの拡大と、エコー信号の検出感度の向上を両立させることができる。受電コイルが送電コイル21の中心に近い場合、方向誘導に用いる検出コイル31〜38と受電コイルの重なる面積が小さくなってしまう。しかし、受電コイルとの結合係数の高い内側の励振コイル23により受電コイルのエコー信号を励振することで、検出信号を強めることができる。これにより、位置ずれ方向を通知するときには、より精度の良い方向誘導を実現できる。なお、実施形態は、本明細書中の他の実施形態の記載と組み合わせて実施することが可能である。
なお、複数の検出コイル31〜38は、例えば、検出コイル31と検出コイル35といった具合に、受電コイル71の1方向のみの位置ずれを検出できる様に、受電コイル21の中心軸の周りに2つ以上の検出コイルを配置してもよい。
(第4の実施形態)
次に、図6に本発明の第4の実施形態のワイヤレス電力伝送装置を示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。図6に示すワイヤレス電力伝送装置は、上述した第3の実施形態における検出コイル31〜38の形状を変形したものである。送電器14は、扇形の2直線が交わる角を面取りした形状の複数の検出コイル41〜48を備える。各検出コイル41〜48は、略円形状の検出コイル39と略同一平面上に配置されている。
本実施形態において、各検出コイル41〜48と略円形状の検出コイル39は、検出コイル39の中心軸の方向に重ならないように配置されていることを特徴としている。例えば、両面基板を用いて各検出コイルをプリントコイルで形成する場合、略円形状の検出コイル39を基板の両面に形成することができる。これにより、略円形状の検出コイル39の形状を小さくしつつ、エコー信号の検出感度を向上することができる。
なお、複数の検出コイル41〜48は、例えば、検出コイル1と検出コイル5といった具合に、受電コイル71の1方向のみの位置ずれを検出できる様に、受電コイル21の中心軸の周りに2つ以上の検出コイルを配置してもよい。
(第5の実施形態)
次に、図7に本発明の第5の実施形態のワイヤレス電力伝送装置を示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。図7に示すワイヤレス電力伝送装置は、上述した第2の実施形態における検出コイル31〜38の形状を変形したものである。送電器15は、互いに部分的にオーバーラップさせた複数の検出コイル51〜58を備える。隣り合う検出コイル51〜58は、それぞれ部分的に重なり合うように形成されている。また、各検出コイル51〜58は、送電コイルの中心軸に近づくにつれて、重なり合う範囲が増加するように形成されている。各検出コイル51〜58と略円形状の検出コイル39とは、お互いに重なり合うように配置しても、そうでなくてもどちらでも構わない。
本実施形態においては、送電コイル21の中心近傍に受電コイルが置かれたとき、各検出コイル51〜58と受電コイルが重なる面積が大きくなる。そのため、各検出コイル51〜58と受電コイル間の結合係数を大きくでき、エコー信号の検出感度を向上させることができる。また、位置ずれ方向を通知するときには、より精度の良い方向誘導を実現できる。なお、各検出コイル間の結合が強くなると、各検出コイルの検出信号が互いに干渉しやすいので、各検出コイル51〜58は、隣り合う検出コイル以外の検出コイルと重なり合わないように配置することが好ましい。
各検出コイル51〜58を、送電コイル21の中心に対して点対称になるような形状とすることで、送電器15上のどの位置に受電コイルが置かれたときにも、方向誘導の信頼性を高めることができる。
上述の励振コイルおよびエコー信号検出コイルの形成方法は、巻線コイルでも、回路基板に直接に形成されたプリントコイルでも構わない。なお、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
なお、複数の検出コイル51〜58は、例えば、検出コイル1と検出コイル5といった具合に、受電コイル71の1方向のみの位置ずれを検出できる様に、受電コイル21の中心軸の周りに2つ以上の検出コイルを配置してもよい。
11〜15 送電器
21 送電コイル
22、23 励振コイル
31〜38、41〜48、51〜58 検出コイル
39 略円形状の検出コイル
61〜68 LED
71 受電コイル

Claims (6)

  1. 受電コイルに対して電磁誘導により電力を供給する送電コイルと、
    該受電コイルの交流磁界を励振する複数の励振コイルと、
    該送電コイルの中心の周りに相互間の隙間がないように配置され、励振された該受電コイルから発生する交流磁界を検出する複数の検出コイルと、
    該送電コイルと該受電コイル間の相対位置を通知する通知手段を備え、
    該複数の励振コイルは、該送電コイルと略同心円状に、該各複数の検出コイルの外側と、その内側とに配置され、
    該各検出コイルは該送電コイルの中心を取り囲むように配置するとともに、該送電コイルの中心軸から離れるにつれて放射状に広がる形状で、
    該通知手段は該複数の検出コイルに励起される各検出信号に基づいて該送電コイルと該受電コイル間の相対位置を通知することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
  2. 略円形状の小型の検出コイルをさらに備え、
    該略円形状の小型の検出コイルは前記送電コイルと略同心円状に、前記複数の検出コイルの内側に配置されており、
    該通知手段は該略円形状の検出コイルに励起される検出信号および前記複数の検出コイルに励起される検出信号に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置を通知する請求項1に記載のワイヤレス電力伝送装置。
  3. 隣り合う前記検出コイルは、それぞれ部分的に重なり合うように形成されている請求項1〜に記載のワイヤレス電力伝送装置。
  4. 隣り合う前記検出コイルは、それぞれ前記送電コイルの中心軸に近づくにつれて重なり合う範囲が増加するように形成されている請求項3に記載のワイヤレス電力伝送装置。
  5. 前記複数の検出コイルは、前記送電コイルの中心軸を基準にして円を8等分した略扇形状である請求項1〜4に記載のワイヤレス電力伝送装置。
  6. 前記通知手段は複数の発光素子であり、前記送電コイルの中心軸に対して、前記各複数の検出コイルの外方向にそれぞれ配置されている請求項1〜5に記載のワイヤレス電力伝送装置。
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