JP6147112B2 - ワイヤレス送電装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、電子機器に電力を供給するために、無接点電力伝送（非接触給電、ワイヤレス給電ともいう）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。

図１は、Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電システム１００の構成を示す図である。給電システム１００は、送電装置２００（ＴＸ）と受電装置３００（ＲＸ）と、を備える。受電装置３００は、携帯電話端末、スマートホン、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２００は、送信コイル２０２（１次コイル）、ドライバ２０４、コントローラ２０６、復調器２０８を備える。ドライバ２０４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２０２に駆動信号Ｓ１、たとえば駆動電流あるいは駆動電圧を印加し、送信コイル２０２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。コントローラ２０６は、送電装置２００全体を統括的に制御する。具体的には、ドライバ２０４のスイッチング周波数、あるい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、送電装置２００と受電装置３００の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３００から送電装置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３０２（２次コイル）から送信コイル２０２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３００に対する電力供給量を指示する電力制御データ（パケットともいう）、受電装置３００の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器２０８は、送信コイル２０２の電流あるいは電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。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もとづいて、ドライバ２０４を制御する。

受電装置３００は、受信コイル３０２、整流回路３０４、コンデンサ３０６、変調器３０８、負荷回路３１０、コントローラ３１２、電源回路３１４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およびコンデンサ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、送電装置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、あるいは直流電圧Ｖｄｃを昇圧あるいは降圧し、コントローラ３１２やその他の負荷回路３１０に供給する。

コントローラ３１２は、受電装置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。

特開２０１３−３８８５４号公報

送信コイル２０２と受信コイル３０２の間、あるいはその近傍に、金属片などの導電性の異物が置かれる状況が生じうる。この状態でワイヤレス給電が行われると、異物に電流が流れ、電力損失が発生してしまう。また異物が発熱するという問題がある。かかる状況に鑑みて、ＷＰＣ１．１（（System Description Wireless Power Transfer Volume I: Low Power Part 1: Interface Definition Version 1.1）仕様おいて、異物検出（ＦＯＤ：Foreign Object Detection）が策定された。

このＦＯＤでは、送電装置２００が送出した電力と、受電装置３００が受信した電力と、が比較され、それらの間に許容値を超える不一致が発生した場合に、異物が存在するものと判定される。

しかしながら本発明者らが検討したところ、ＦＯＤ機能によって、異物が存在しない状況においても、異物が存在するものと誤判定される得ることが分かった。これは、送信電力は実測値が用いられる一方、受信電力は、コイル間の結合係数をある典型値に仮定した状況における推定値であり、（i）現実的には結合係数がばらつくこと、（ii）送電装置２００および受電装置３００において測定される電力が誤差を有することに起因している。

かかる事情から、ＦＯＤ機能を単独で採用すると、コイルの位置ずれと異物検出を区別できず、コイルのわずかな位置ずれにより、存在しない異物が誤判定される。

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、コイルの位置ずれを検出可能な送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に関する。ワイヤレス送電装置は、送信コイルを含み、電力信号を送信する送信アンテナと、送信アンテナに駆動信号を印加するドライバと、送信コイルの温度を測定し、第１温度信号を生成する第１温度センサと、ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器が載せられるインタフェース台の温度を測定し、第２温度信号を生成する第２温度センサと、ドライバを制御する制御回路であって、第１温度信号と第２温度信号の差分に応じて電力信号を制御する制御回路と、を備える。

インタフェース台の上に金属片等の異物が存在するとき、異物が発熱することにより、インタフェース台の温度が上昇する。一方、異物が存在せず、位置ずれが生じている場合には、インタフェース台の温度はそれほど上昇しない。この態様によれば、インタフェース台と送信コイルの温度差を検出することにより、位置ずれを検出できる。

制御回路は、差分が第１しきい値より大きいとき、送電を制限してもよい。
「送電を制限する」とは、送信電力をゼロとすること、あるいは送信電力を減少させること、などを含む。

制御回路は、異物を検出可能に構成され、異物が有ると判定され、かつ差分が第２しきい値より大きいとき、送電を制限し、差分が第２しきい値より小さいとき、送電を実質的に継続してもよい。
つまり、ＦＯＤ機能により異物が判定された場合であっても、送信コイルとインタフェース台の温度差が小さい場合には位置ずれに起因する誤判定である可能性が高い。そこで、温度差と第２しきい値を比較することにより、位置ずれと異物検出を区別することができる。

第１しきい値と第２しきい値は同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

制御回路はさらに、第１温度信号および第２温度信号の少なくとも一方が、サーマルシャットダウン用のしきい値より大きいとき、送電を制限してもよい。
これにより、その原因にかかわらず、送電装置２００が過熱状態となった場合には、送電装置２００および受電装置３００を保護することができる。

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、コイルの位置ずれを検出できる。

Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 実施の形態に係るワイヤレス送電装置の構成を示す回路図である。 図２の送電装置の異物・位置ずれ検出にもとづく電力制御のフローチャートである。 図４（ａ）〜（ｃ）は、インタフェース台と電子機器の位置関係を示す図である。

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２は、実施の形態に係るワイヤレス送電装置（以下、単に送電装置と称する）２００の構成を示す回路図である。送電装置２００は、図１の給電システム１００に使用され、電子機器３２０に内蔵される受電装置３００に電力信号Ｓ２を供給する。

送電装置２００は、送信アンテナ２０１、ドライバ２０４、制御回路２２０、インタフェース台２４０、第１温度センサ２４２、第２温度センサ２４４を備える。

送信アンテナ２０１は、直列に接続された送信コイル（１次コイル）２０２および共振コンデンサ２０３を含み、所定の共振周波数ｆｒを有する。

ドライバ２０４は、トランジスタＭ１〜Ｍ４を含むＨブリッジ回路であり、送信アンテナ２０１の両端間に共振周波数ｆｒ近傍の周波数を有するパルス状の駆動信号Ｓ１を印加する。ドライバ２０４は、ハーフブリッジ回路であってもよい。

インタフェース台２４０の上には、ワイヤレス受電装置３００を搭載する電子機器３２０が載せられる。

第１温度センサ２４２は、送信コイル２０２の温度Ｔ１を測定し、第１温度信号Ｓ１１を生成する。第２温度センサ２４４は、インタフェース台２４０の温度Ｔ２を測定し、第２温度信号Ｓ１２を生成する。温度センサの種類は特に限定されず、熱電対素子やサーミスタなどが利用できる。

制御回路２２０は、ひとつの半導体基板上に一体集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）であり、ドライバ２０４を制御する。

制御回路２２０は、パルス信号生成部２２２、プリドライバ２２４、復調器２２６、送信電力測定部２２８、異物検出部２３０、Ａ／Ｄコンバータ２３２、Ａ／Ｄコンバータ２３４、減算器２３６、判定部２３８を備える。

復調器２２６は、送信コイル２０２に流れるコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬあるいはその両端間のコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬに含まれる制御信号Ｓ３を復調する。制御信号Ｓ３には、送信電力を指示する電力制御データＳ５、受電装置３００が現在受信している電力量を示す受電量データＳ７、受電装置３００の固有の情報を示すデータ、などが含まれる。受電量データＳ７は、異物検出部２３０に入力される。

パルス信号生成部２２２は、電力制御データＳ５にもとづいて、トランジスタＭ１〜Ｍ４のオン、オフを指示するパルス信号Ｓ６を生成する。プリドライバ２２４は、パルス信号Ｓ６にもとづいてドライバ２０４のトランジスタＭ１〜Ｍ４をスイッチングする。

送信電力は、ドライバ２０４が送信コイル２０２に印加する駆動信号Ｓ１の周波数、つまりパルス信号Ｓ６の周波数にもとづいて調節される。具体的には、パルス信号Ｓ６の周波数を、送信コイル２０２を含むアンテナの共振周波数に近づけると、送信電力が増加し、遠ざかるにしたがって送信電力は低下する。つまりパルス信号生成部２２２は、電力制御データＳ５にもとづいてパルス信号Ｓ６の周波数を調節する。

送信電力測定部２２８は、送信アンテナ２０１から受電装置３００に送信される送信電力量を計算し、送電量データＳ８を生成する。たとえば送信電力測定部２２８は、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬとコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬの積にもとづいて送電量データＳ８を生成する。異物検出部２３０は、受電量データＳ７と送電量データＳ８の関係にもとづいて異物の有無を判定し、異物を検出すると異物検出信号Ｓ９をアサート（たとえばハイレベル）する。これをＦＯＤ機能という。

Ａ／Ｄコンバータ２３２、Ａ／Ｄコンバータ２３４はそれぞれ、第１温度信号Ｓ１１、第２温度信号Ｓ１２をデジタル値に変換する。判定部２３８は、第１温度信号Ｓ１１が示す第１温度Ｔ１、第２温度信号Ｓ１２が示す第２温度Ｔ２および異物検出信号Ｓ９にもとづいて、異物の有無、電子機器３２０の位置ずれを検出する。

具体的には、判定部２３８は、第１温度信号Ｓ１１と第２温度信号Ｓ１２から得られる温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２にもとづいて、電力信号Ｓ２を制御する。判定部２３８は、温度差ΔＴを第１しきい値Ｔ_ＴＨ１と比較し、温度差ΔＴの方が大きいとき、電力信号Ｓ２を停止または減少させるようパルス信号生成部２２２（および／またはプリドライバ２２４）に指示し、送電を制限する。

また判定部２３８は、異物検出信号Ｓ９がアサートされ、差分ΔＴが第２しきい値Ｔ_ＴＨ２より大きいとき、電力信号Ｓ２を停止または減少させるようパルス信号生成部２２２（および／またはプリドライバ２２４）に指示し、送電を制限する。反対に、異物検出信号Ｓ９がアサートされた場合であっても、差分ΔＴが第２しきい値Ｔ_ＴＨ２より小さいとき、もとの電力のまま、あるいはわずかに電力を低下させた状態にて、送電を実質的に継続する。

また判定部２３８はサーマルシャットダウン機能を備える。異物検出部２３０は、温度Ｔ１が第３しきい値Ｔ_ＳＤ１より大きく、あるいは温度Ｔ２が第４しきい値Ｔ_ＳＤ２より大きいとき、異物の有無、位置ずれの有無にかかわらず、電力信号Ｓ２を停止または減少させるようパルス信号生成部２２２（および／またはプリドライバ２２４）に指示し、送電を制限する。

以上が送電装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、図２の送電装置２００の異物・位置ずれ検出にもとづく電力制御のフローチャートである。

所定のサンプリング周期で、判定部２３８は、送信コイル２０２およびインタフェース台２４０それぞれの温度Ｔ１、Ｔ２を取得し、温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２を演算する（Ｓ１００）。

そして判定部２３８は、Ｔ１＞Ｔ_ＳＤ１またはＴ２＞Ｔ_ＳＤ２が成り立つとき（Ｓ１０２のＹ）、送電装置２００をサーマルシャットダウンし、送電を停止する（Ｓ１０４）。

温度Ｔ１、Ｔ２がいずれもサーマルシャットダウンのしきい値Ｔ_ＳＤ１、Ｔ_ＳＤ２に達していない場合（Ｓ１０２のＮ）、温度差ΔＴがしきい値Ｔ_ＴＨ１と比較される。その結果、ΔＴ＞Ｔ_ＴＨ１が成り立つとき（Ｓ１０６のＹ）、インタフェース台２４０上に異物が存在する可能性が高いため、送電を制限する（Ｓ１１０）。

ΔＴ＜Ｔ_ＴＨ１が成り立つとき（Ｓ１０６のＮ）、ＦＯＤ機能にもとづく異物検出が実行される（Ｓ１０８）。具体的には、異物検出信号Ｓ９がアサートされていなければ（Ｓ１０８のＮ）、ステップＳ１００に戻る。
異物検出信号Ｓ９がアサートされている場合（Ｓ１０８のＹ）、ΔＴとＴ_ＴＨ２が比較される（Ｓ１１２）。そして、ΔＴ＞Ｔ_ＴＨ２のとき（Ｓ１１２のＹ）、インタフェース台２４０上に異物が存在する可能性が高いため、送電を制限する（Ｓ１１０）。異物検出信号Ｓ９がアサートされた場合であっても、ΔＴ＜Ｔ_ＴＨ２が成り立つ場合（Ｓ１１２のＮ）、異物は存在しておらず、コイルの位置ずれの可能性が高いため、ステップＳ１００に戻り、監視を継続する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、インタフェース台２４０と電子機器３２０の位置関係を示す図である。図４（ａ）では、電子機器３２０がインタフェース台２４０上に正しく配置される様子を示す。この場合、送信コイル２０２の温度Ｔ１とインタフェース台２４０の温度Ｔ２の差ΔＴは小さく、また異物検出信号Ｓ９もアサートされない。したがって通常のフィードバック制御により、電子機器３２０が充電される。

図４（ｂ）では、インタフェース台２４０の上に、電子機器３２０の他に、導電性の異物４００が載っている。異物４００と送信コイル２０２が結合し、電磁誘導により異物４００に電流が流れ、異物４００が発熱する。この状態では、異物４００で消費される電力と、電子機器３２０が受信した電力の和が、送電装置２００の送信電力となる。したがって、送電装置２００において取得される受電量データＳ７と送電量データＳ８の誤差が大きくなり、異物検出信号Ｓ９がアサートされる。また異物４００の発熱がインタフェース台２４０に伝導し、インタフェース台２４０の温度Ｔ２が上昇し、やがて温度差ΔＴがしきい値Ｔ_ＴＨ２を超え、送電が制限される。

図４（ｃ）では、インタフェース台２４０の上に、異物４００は存在しないが、電子機器３２０が送信コイル２０２に対して位置ずれしている。この場合、送信コイル２０２と受信コイル３０２の結合係数が、図４（ａ）の状態において期待される値よりも小さくなるため、送電装置２００において取得される受電量データＳ７と、実際に電子機器３２０が受信する電力量の誤差が大きくなる。これにより、判定部２３８により異物検出信号Ｓ９がアサートされる。しかしながらこの状態では、温度差ΔＴは第２しきい値Ｔ_ＴＨ２より小さいため、送電は制限されず、継続される。

図４（ａ）に戻る。受電装置３００に搭載される回路部品のバラツキが大きいと、受電量データＳ７あるいは送電量データＳ８それぞれの誤差が大きくなる。これにより、図４（ａ）の状態であっても、ＦＯＤ機能により異物が誤検出され、異物検出信号Ｓ９がアサートされてしまう可能性がある。ただし、このときに温度差ΔＴは第２しきい値Ｔ_ＴＨ２より小さいため、通常の送電を継続することができる。

以上が送電装置２００の動作である。

実施の形態に係る送電装置２００によれば、インタフェース台２４０と送信コイル２０２の温度差ΔＴを検出することにより、位置ずれを検出できる。

たとえば、ＦＯＤ機能により異物が判定された場合であっても、位置ずれに起因する誤判定である可能性がある。実施の形態に係る送電装置２００によれば、温度差ΔＴと第２しきい値Ｔ_ＴＨ２を比較することにより、位置ずれと異物検出を区別することができる。

また温度Ｔ１、Ｔ２をサーマルシャットダウン用のしきい値Ｔ_ＳＤ１、Ｔ_ＳＤ２と比較することにより、その原因にかかわらず、送電装置２００が過熱状態となった場合には、送電装置２００および受電装置３００を保護することができる。

またしきい値Ｔ_ＴＨ１、Ｔ_ＴＨ２、Ｔ_ＳＤ１、Ｔ_ＳＤ２は、独立に設定可能とすることにより、各状態を適切に判別することができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、Ａ／Ｄコンバータ２３２、Ａ／Ｄコンバータ２３４により、アナログの温度信号をデジタル値に変換する場合を説明したが本発明はそれに限定されない。判定部２３８は、アナログ回路、より具体的にはアナログ減算器および電圧コンパレータの組み合わせで構成されてもよい。

実施の形態では、Ｑｉ規格に準拠するワイヤレス送電装置について説明したが、本発明はそれに限定されず、Ｑｉ規格と類似するシステムに使用されるワイヤレス送電装置や、将来策定されるであろう規格に準拠する送電装置２００にも適用しうる。

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，ＴＸ…送電装置、２０１…送信アンテナ、２０２…送信コイル、２０３…共振コンデンサ、２０４…ドライバ、２０６…コントローラ、２０８…復調器、３００，ＲＸ…受電装置、３０２…受信コイル、３０４…整流回路、３０６…コンデンサ、３０８…変調器、３１０…負荷回路、３１２…コントローラ、３１４…電源回路、３２０…電子機器、２２０…制御回路、２２２…パルス信号生成部、２２４…プリドライバ、２２６…復調器、２２８…送信電力測定部、２３０…異物検出部、２３２，２３４…Ａ／Ｄコンバータ、２３６…減算器、２３８…判定部、２４０…インタフェース台、２４２…第１温度センサ、２４４…第２温度センサ、Ｓ１…駆動信号、Ｓ２…電力信号、Ｓ３…制御信号、Ｓ５…電力制御データ、Ｓ６…パルス信号、Ｓ７…受電量データ、Ｓ８…送電量データ、Ｓ９…異物検出信号、Ｓ１１…第１温度信号、Ｓ１２…第２温度信号。

Claims (8)

1. 送信コイルを含み、電力信号を送信する送信アンテナと、
   前記送信アンテナに駆動信号を印加するドライバと、
   前記送信コイルの温度を測定し、第１温度信号を生成する第１温度センサと、
   ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器が載せられるインタフェース台の温度を測定し、第２温度信号を生成する第２温度センサと、
   前記ドライバを制御する制御回路であって、前記第１温度信号と前記第２温度信号の差分に応じて前記電力信号を制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス送電装置。
2. 前記制御回路は、前記差分が第１しきい値より大きいとき、送電を制限することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
3. 前記制御回路は、前記インタフェース台上の異物を検出可能に構成され、前記異物が有ると判定され、かつ前記差分が第２しきい値より大きいとき、送電を制限し、前記差分が第２しきい値より小さいとき、送電を実質的に継続することを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス送電装置。
4. 前記制御回路はさらに、前記第１温度信号および前記第２温度信号の少なくとも一方が、サーマルシャットダウン用のしきい値より大きいとき、送電を制限することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
5. ワイヤレス送電装置の制御方法であって、
   ドライバが、パルス信号にもとづいて送信コイルを含む送信アンテナに駆動信号を印加するステップと、
   前記送信アンテナが、前記パルス信号に応じて電力信号を送信するステップと、
   前記送信コイルの温度を測定し、第１温度信号を生成するステップと、
   ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器が載せられるインタフェース台の温度を測定し、第２温度信号を生成するステップと、
   前記第１温度信号と前記第２温度信号の差分を検出するステップと、
   前記差分に応じて前記ドライバを制御するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
6. 前記ドライバを制御するステップは、
   前記差分を第１しきい値と比較するステップと、
   前記差分が前記第１しきい値より大きいとき、送電を制限するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ドライバを制御するステップは、
   異物を検出するステップと、
   前記異物が有ると判定され、かつ前記差分が第２しきい値より大きいとき送電を制限し、前記差分が第２しきい値より小さいとき、送電を実質的に継続するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記ドライバを制御するステップは、
   前記第１温度信号および前記第２温度信号の少なくとも一方をサーマルシャットダウン用の第３しきい値と比較するステップと、
   前記第１温度信号および前記第２温度信号の少なくとも一方が前記第３しきい値より大きいとき、送電を制限するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の方法。

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