JPWO2017017959A1 - ワイヤレス充電装置 - Google Patents

Abstract

ワイヤレス充電装置において、振動等により被充電物の位置がずれた場合でも、充電が頻繁に途切れることを防ぐことを目的とする。複数の充電コイルと、充電コイルに対応する複数の位置検出コイルと、各々の位置検出コイルのコイル端電圧を測定する電圧監視回路とを備える。そして、充電に使用している充電コイルに対応する第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、当該第１の位置検出コイルに隣接する位置検出コイルのコイル端電圧とを比較し、比較結果に応じ、充電に使用する充電コイルを、隣接する充電コイルへと切り替える。

Description

本開示は、携帯端末を充電するワイヤレス充電装置に関するものである。

スマートフォン、タブレットＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等の携帯端末は、その機能が極めて高くなり、それにつれて電力消費も大きくなっている。

したがって、自動車内を含め、各所で充電が行えることが求められているが、近年の傾向として、ケーブルを使わずに、いわゆるワイヤレス充電が行える携帯端末充電装置が脚光を浴びている。ワイヤレス充電装置では、被充電物設置部に携帯端末が置かれると、充電コイルからの磁束で、携帯端末への充電を行うことが出来るようになっている。

特許文献１には、このようワイヤレス充電装置の例が開示されている。特許文献１に開示された充電装置では、コイルアレイ方式が採用されている。当該方式では、コイルアレイを構成する複数の充電コイルのうち、携帯端末が置かれた位置（正確には、携帯端末に内蔵される受電コイルの位置）に対応する一部の充電コイルのみを充電に使用する。

特表２０１２‐５２３８１４号公報

特許文献１に開示された充電装置では、携帯端末の位置を特定するために、ピングと呼ばれる動作を実行している。このピング動作では、複数の充電コイルに順次エネルギーを与えることで磁束を発生させ、当該磁束に対する受電コイルの反応を検知することで、携帯端末の位置を特定している。よって、携帯端末の位置ずれが発生した場合には、一旦充電を停止し、再度ピング動作を実行することで携帯端末の位置を検出し直す必要がある。

例えば自動車内部等の振動の多い場所に充電装置が設置された場合、携帯端末の位置が頻繁にずれる恐れがある。特許文献１に開示された充電装置をこのような場所に設置すると、頻繁に充電停止およびピング動作が繰り返される。すると、充電が停止している期間が長くなり、結果的に十分な充電が行われないという状況が起こり得る。

そこで、本開示のワイヤレス充電装置では、複数の充電コイルからなるコイルアレイと、複数の充電コイルにそれぞれ対応する複数の位置検出コイルと、位置検出コイルの各々のコイル端電圧を測定する電圧監視回路とを備える。そして、充電に使用している第１の充電コイルに対応する第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、第１の位置検出コイルに隣接する他の位置検出コイルのコイル端電圧とを比較し、比較結果に応じ、充電に使用する充電コイルを、第１の充電コイルから隣接する他の充電コイルへと切り替える。

このような構成により、振動等が原因で被充電物の位置がずれた場合でも、素早く充電に使用するコイルを切り替え、充電が頻繁に途切れることを防ぐ。

本開示のワイヤレス充電装置では、振動等により被充電物の位置がずれた場合でも、充電が頻繁に途切れることを防ぐことができる。

実施形態のワイヤレス充電装置が自動車の車室内に設置された状態を示す図。 実施形態のワイヤレス充電装置の外観を示す斜視図。 実施形態のワイヤレス充電装置に携帯端末が設置された状態を示す図。 実施形態のワイヤレス充電装置の断面を示す図。 実施形態のワイヤレス充電装置の充電コイル及び位置検出コイルを平面視した図。 実施形態のワイヤレス充電装置の回路図。 実施形態のワイヤレス充電装置の動作フローチャート。 受電コイルが充電コイルの真上にある場合の、充電中の磁束分布を示す図。 受電コイルが充電コイルの真上からわずかにずれた場合の、充電中の磁束分布を示す図。 変形例の充電コイル及び位置検出コイルを平面視した図。

以下、本開示の一実施形態にかかるワイヤレス充電装置、およびそれを自動車に搭載した例を、添付図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態のワイヤレス充電装置１０１を自動車の車室内に設置した状態を示した図である。図１では、自動車のセンターコンソール部にワイヤレス充電装置１０１を設置した例を示している。

図２は、ワイヤレス充電装置１０１を自動車から取り外した状態を示している。ワイヤレス充電装置１０１は本体ケース１０２を備える。本体ケース１０２の上面は、被充電物である携帯端末を設置するための、被充電物設置部１０３である。

図３は、本実施形態のワイヤレス充電装置１０１に、携帯端末１０４を設置した状態を示している。携帯端末１０４の内部には、受電コイル１０５が内蔵されている。

ユーザーがワイヤレス充電装置１０１の充電開始ボタン１０６を押すと、本体ケースに内蔵された充電コイルにエネルギーが供給される。すると、充電コイルから発生する磁束により受電コイル１０５に起電力が発生し、当該起電力により、携帯端末１０４に内蔵される電池（図示せず）が充電される。

次に、本体ケース１０２の内部について詳細に説明する。

図４Ａは、本体ケース１０２を図２に示す線４Ａ−４Ａに沿って切った断面図である。本体ケース１０２の内部には、複数の充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３が設置されている。複数の充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、ワイヤレス充電装置の充電可能領域をカバーするように並べられたコイルアレイを構成している。充電コイルの被充電物設置部１０３側には、複数の位置検出コイルＬｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３が実装された検出基板１０７が設置されている。充電コイルの、被充電物設置部１０３とは反対側、すなわち本体ケースの底面側には、後述する充電回路や電圧監視回路などが実装された、制御基板１０８が実装されている。

図４Ｂは、本実施形態の充電コイルおよび位置検出コイルを平面視した図である。理解しやすいよう、本体ケース１０２や前述した基板は図示されていない。

充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、それぞれ細い金属ワイヤーを巻きつけた環状であり、外径は長方形状である。充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、互いに重なりを持つように配置されている。また、充電コイルＬｃ２は他の充電コイルＬｃ１、Ｌｃ３とは異なり、９０度回転した状態で設置されている。これは、ワイヤレス充電装置の充電可能領域を、横方向に広くとるためである。

なお、充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、互いに重なりを持つように配置する必要はなく、図８に示す変形例のように、重なりが無いように横に並べて配置してもよい。

位置検出コイルＬｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３は、充電中に、携帯端末１０４がどの方向に移動したかを検知するためのコイルである。位置検出コイルＬｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３は環状であり、それぞれ充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３と対応している。位置検出コイルの各々は、対応する充電コイルの真上に配置され、対応する充電コイルと概ね同心状に形成される。

次に充電コイル、位置検出コイルを含む回路について、図５を用いて説明する。

図５に示すように、充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、制御基板１０８上に実装された充電回路１０９に接続され、位置検出コイルＬｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３は、制御基板１０８に実装された電圧監視回路１１０に接続される。充電回路１０９は各充電コイルにエネルギーを供給するための回路であり、電圧監視回路１１０は、各位置検出コイルの両端に発生する電圧を監視するための回路である。また、制御基板１０８には、充電コイルや位置検出コイルの接続を切り替えるためのスイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ３、およびＳＷｄ１〜ＳＷｄ３が実装される。さらに、制御基板１０８には、充電回路１０９や電圧監視回路１１０、スイッチを制御する制御回路（図示せず）も実装されている。

図５の回路図は簡略化されており、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ３の何れかがオンになると、オンになったスイッチに接続される充電コイルＬｃ１〜Ｌｃ３のいずれかにエネルギーが供給されることを表している。また、スイッチＳＷｄ１〜ＳＷｄ３の何れかがオンになると、オンになったスイッチに接続される位置検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ３のいずれかの両端に発生するコイル端電圧が測定されることを表している。

次に、本実施形態のワイヤレス充電装置の動作について、図６および図７Ａならびに図７Ｂを用いて説明する。

まず、ユーザーがワイヤレス充電装置１０１の充電開始ボタン１０６を押すと、充電を開始する前に、携帯端末１０４の初期位置（正確には内蔵される受電コイル１０５の位置）が検知される（Ｓ１０１）。この際の検知方法は、従来例のようなピング動作であってもよく、充電停止期間における携帯端末の位置検知専用に別途コイルを設けてもよい。このようなコイルは、検出基板１０７に設けることができる。

次に、検知された携帯端末１０４の位置に最も近い第１の充電コイルにエネルギーが供給され、充電が開始される（Ｓ１０３）。ここでは、充電コイルＬｃ２を充電に使用される第１の充電コイルとする。

充電中の期間において、充電に使用している第１の充電コイルに対応する第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、当該第１の位置検出コイルに隣接する他の位置検出コイルのコイル端電圧が、電圧監視回路１１０により監視される。電圧監視回路１１０は位置検出コイルＬｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３のコイル端電圧を監視し、各コイル端電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の値を示す信号を制御部に向けて出力する（Ｓ１０５）。

電圧監視回路１１０が監視するコイル端電圧は、どの充電コイルが使用されているかによって変化する。例えば、Ｌｃ１が充電に使用されている場合、充電コイルＬｃ１に対応する位置検出コイルＬｄ１のコイル端電圧と、位置検出コイルＬｄ１に隣接する位置検出コイルＬｄ２のコイル端電圧が監視される。また、Ｌｃ３が充電に使用されている場合、充電コイルＬｃ３に対応する位置検出コイルＬｄ３のコイル端電圧と、位置検出コイルＬｄ３に隣接する位置検出コイルＬｄ２のコイル端電圧が監視される。また、本実施形態のように充電コイルＬｃ２が充電に使用されている場合、充電コイルＬｃ２に対応する位置検出コイルＬｄ２のコイル端電圧と、位置検出コイルＬｄ２の両隣の位置検出コイルＬｄ１およびＬｄ３のコイル端電圧が監視される。

本実施形態の充電コイル数は３個であるが、コイル数がさらに多い場合も、適宜、使用中の充電コイルに対応する位置検出コイルと、隣接する位置検出コイルが選択される。

次に、制御部が、電圧監視回路１１０が測定したコイル端電圧を比較し、受電コイル１０５の移動方向を推定する。本実施形態では、移動方向の推定方法の一例を示す。

制御部は、電圧監視回路１１０から入力されたコイル端電圧に基づき、Ｖ３／Ｖ２、およびＶ１／Ｖ２を算出する。すなわち、制御部は、充電に使用している第１の充電コイルに対応する第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、第１の位置検出コイルに隣接する他の位置検出コイルのコイル端電圧との比を算出する。そして、Ｖ１／Ｖ２またはＶ３／Ｖ２の値が閾値を超えたか否かを判定する（Ｓ１０７）。

制御部は、Ｖ１／Ｖ２の値が閾値を超えたことを検知すると（Ｓ１０７でＹＥＳ）、充電に使用する充電コイルを、第１の位置検出コイルＬｄ２から隣接する充電コイルＬｃ３へと切り替える（Ｓ１０９）。このように、受電コイル１０５の位置が移動したとき、より適切な充電コイルへの切り替えが瞬時に行われる。なお、Ｖ１／Ｖ２とＶ３／Ｖ２の何れも閾値を超えない場合は（Ｓ１０７でＮｏ）、再びコイル端電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の計測が行われる。

なお、Ｓ１０７においてＶ３／Ｖ２の値が閾値を超えた場合は（Ｓ１０７でＹｅｓ）、充電に使用する充電コイルを、隣接する充電コイルＬｃ１へと切り替える。

以上のように、本実施形態のワイヤレス充電装置１０１では、充電に使用している充電コイルに対応する第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、当該第１の位置検出コイルに隣接する位置検出コイルのコイル端電圧とを比較し、比較結果から受電コイル１０５の移動方向を推定している。そして、充電に使用する充電コイルを、受電コイル１０５の移動方向にある隣接する充電コイルへと切り替える。

なお、Ｓ１０９において充電コイルを切り替える際、一度に隣接する充電コイルに切り替えるのではなく、先ず第１の充電コイルおよび隣接する充電コイルによる同時充電を行い、次に隣接する充電コイルへの完全に切り替えるというように、２段階としてもよい。これは、一度にコイルを切り替えることにより、切替え用のスイッチに大きな電圧がかかることを防ぐ目的である。

続いて、受電コイル１０５の移動方向と、コイル端電圧の値の変化の関係について説明する。

図７Ａおよび図７Ｂは、充電コイルＬｃ２が充電に使用されている場合の、充電コイル周辺の磁束分布を示す図である。図７Ａは、受電コイル１０５が充電コイルＬｃ２の真上にある状態を示している。図中の実線矢印が磁束の方向であり、充電コイルＬｃ２の内部を通る磁束が、受電コイル１０５の内部を通り、再び充電コイルＬｃ２の方向へ戻る様子を表している。

ここで、充電中に、振動などにより受電コイル１０５が初期位置からわずかにずれた場合を考える。図７Ｂは、受電コイル１０５が充電コイルＬｃ２の真上から右方向にずれた場合を示している。このとき、受電コイル１０５の移動方向と反対側に位置する位置検出コイルＬｄ１のコイル端電圧Ｖ１が上昇する。

図７Ｂの実線矢印は、受電コイル１０５がずれた場合の磁束分布を表している。位置検出コイルＬｄ１の内部を通る磁束に着目すると、上方向に向かう磁束が受電コイル１０５側へ引き寄せられたことにより、図中の点線矢印が示すように、上方向に向かう磁束と下方向に向かう磁束のバランスが変化する。上方向に向かう磁束と下方向に向かう磁束のそれぞれによって位置検出コイルＬｄ１に生じる起電力は互いに打ち消し合うため、磁束の向きが何れか一方に偏っている場合に起電力は大きくなる。図７Ａから図７Ｂへの磁束分布の変化により、位置検出コイルＬｄ１の内部を通る磁束の内、下方向に向かう磁束の割合が増加したため、結果としてコイル端電圧Ｖ１が大きくなったと考えられる。

以上のような理由から、充電に使用する充電コイルは、コイル端電圧の上昇が検知された位置検出コイルの方向とは反対の方向に位置する充電コイルへと切り替えられる。

なお、本実施形態では、複数の充電コイルから成るコイルアレイの中央に位置する（すなわち、両隣に他の充電コイルが存在する）充電コイルＬｃ２から、隣接する他の充電コイルＬｃ１やＬｃ３への切り替えについて説明した。

一方で、受電コイル１０５の初期位置が充電可能領域の端部であった場合、最初に充電に使用する第１の充電コイルはコイルアレイの端部に位置する充電コイルＬｃ１やＬｃ３である。よって、これら端部に位置する充電コイルから、中央の充電コイルＬｃ２へと、充電に使用する充電コイルを切り替えることになる。このとき、コイル端電圧を比較する際の閾値を、中央の充電コイルＬｃ２からの切り替えの場合とは異ならせることが好ましい。これは、充電に使用する充電コイルがコイルアレイの端部にある場合と、中央部にある場合とで、充電中の磁束分布が異なり、受電コイルの位置ずれの際に生じる位置検出コイルのコイル端電圧の変化量も異なるためである。

よって、コイルアレイ中の端部に位置する充電コイルから隣接する他の充電コイルへ切り替える場合と、コイルアレイ中の中央部に位置する充電コイルから隣接する他の充電コイルへ切り替える場合とで、コイル端電圧を比較する際の閾値を異ならせることが好ましい。

すなわち、コイルアレイ中の第１の充電コイルの位置に応じて、前記比較の際の閾値を異ならせることが好ましい。

以上のように、本実施形態のワイヤレス充電装置では、位置検出コイルのコイル端電圧を比較し、比較結果に応じて充電に使用する充電コイルを隣接する充電コイルへと切り替えるため、被充電物の位置ずれが発生した場合でも瞬時に充電コイルの切り替えが可能である。よって、被充電物の位置ずれが発生する度に充電を停止して位置検出をやり直す必要がない。

振動等により被充電物の位置がずれた場合でも、充電が頻繁に途切れることを防ぐワイヤレス充電装置が実現できる。

１０１ ワイヤレス充電装置
１０２ 本体ケース
１０３ 被充電物設置部
１０４ 携帯端末
１０５ 受電コイル
１０６ 充電開始ボタン
１０７ 検出基板
１０８ 制御基板
１０９ 充電回路
１１０ 電圧監視回路
Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ３ 充電コイル
Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３ 位置検出コイル

充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、それぞれ細い金属ワイヤーを巻きつけた環状であり、外形は長方形状である。充電コイルＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３は、互いに重なりを持つように配置されている。また、充電コイルＬｃ２は他の充電コイルＬｃ１、Ｌｃ３とは異なり、９０度回転した状態で設置されている。これは、ワイヤレス充電装置の充電可能領域を、横方向に広くとるためである。

電圧監視回路１１０が監視するコイル端電圧は、どの充電コイルが使用されているかによって変化する。例えば、充電コイルＬｃ１が充電に使用されている場合、充電コイルＬｃ１に対応する位置検出コイルＬｄ１のコイル端電圧と、位置検出コイルＬｄ１に隣接する位置検出コイルＬｄ２のコイル端電圧が監視される。また、充電コイルＬｃ３が充電に使用されている場合、充電コイルＬｃ３に対応する位置検出コイルＬｄ３のコイル端電圧と、位置検出コイルＬｄ３に隣接する位置検出コイルＬｄ２のコイル端電圧が監視される。また、本実施形態のように充電コイルＬｃ２が充電に使用されている場合、充電コイルＬｃ２に対応する位置検出コイルＬｄ２のコイル端電圧と、位置検出コイルＬｄ２の両隣の位置検出コイルＬｄ１およびＬｄ３のコイル端電圧が監視される。

制御部は、Ｖ１／Ｖ２の値が閾値を超えたことを検知すると（Ｓ１０７でＹＥＳ）、充電に使用する充電コイルを、第１の充電コイルＬｃ２から、隣接する充電コイルＬｃ３へと切り替える（Ｓ１０９）。このように、受電コイル１０５の位置が移動したとき、より適切な充電コイルへの切り替えが瞬時に行われる。なお、Ｖ１／Ｖ２とＶ３／Ｖ２の何れも閾値を超えない場合は（Ｓ１０７でＮｏ）、再びコイル端電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の計測が行われる。

Claims (7)

1. 被充電物に対し、ワイヤレスで充電電力を送信するためのワイヤレス充電装置であって、
   複数の充電コイルからなるコイルアレイと、
   前記複数の充電コイルにそれぞれ対応する複数の位置検出コイルと、
   前記位置検出コイルの各々のコイル端電圧を測定する電圧監視回路とを備え、
   充電に使用している第１の充電コイルに対応する前記複数の位置検出コイルのうちの第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、前記第１の位置検出コイルに隣接する前記複数の位置検出コイルのうちの他の位置検出コイルのコイル端電圧とを比較し、比較結果に応じ、前記複数の位置検出コイルのうちの充電に使用する充電コイルを、前記第１の充電コイルから前記隣接する他の充電コイルへと切り替える、ワイヤレス充電装置。
2. 前記比較は、前記第１の位置検出コイルのコイル端電圧と、前記隣接する他の位置検出コイルのコイル端電圧との比を算出することにより行われる、請求項１に記載のワイヤレス充電装置。
3. 前記複数の位置検出コイルの各々は、対応する前記充電コイルと同心状に配置される、請求項１に記載のワイヤレス充電装置。
4. 充電に使用する充電コイルを、前記第１の充電コイルから見て、コイル端電圧が上昇した位置検出コイルの方向とは反対の方向に位置する充電コイルに切り替える、請求項１に記載のワイヤレス充電装置。
5. 前記複数の充電コイルからなる前記コイルアレイ中の前記第１の充電コイルの位置に応じて、前記比較の際の閾値が異なる、請求項１に記載のワイヤレス充電装置。
6. 前記第１の充電コイルが前記複数の充電コイルからなる前記コイルアレイ中の端部に位置する場合と、中央部に位置する場合とで、前記比較の際の閾値が異なる、請求項５に記載のワイヤレス充電装置。
7. 充電に使用する充電コイルを、前記第１の充電コイルから前記隣接する他の充電コイルへと切り替える間に、前記第１の充電コイルと前記隣接する他の充電コイルとによる同時充電を行う、請求項１に記載のワイヤレス充電装置。

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