JP5608026B2 - 非接触電力伝送および通信システム - Google Patents

Description

本発明は、携帯端末などの携帯電子機器の充電とともに、データ転送を行う、非接触電力伝送および通信システムに関する。

送電装置から送られる電力と信号を非接触で受け取る受電装置が広く使用されるようになり、多種の装置が従来技術として知られている。

この種の非接触電力伝送及び通信システムとして、例えば特許文献１などが知られている。特許文献１の非接触電力伝達装置では、１つのコアに電力伝達用の巻き線と信号伝達用の巻き線を巻くことにより小型化及び低コスト化を図っている。図４は、従来の非接触電力伝達装置のコイルの構成図である。図４に示すように電源装置６０のハウジング６１に内蔵される電力伝送用一次巻線６２と、信号伝送用二次巻線６３とを１つのＣ型コア６４に巻回し、負荷機器７０のハウジング７１に内蔵される電力伝送用二次巻線７２と信号伝送用一次巻線７３とを１つのＣ型コア７４に巻回してある。

また、特許文献２では、複数のアンテナコイル間の接続と、これら複数のアンテナコイル間の接続を、直列、並列に切り替えるための、スイッチング部と、このスイッチングを制御する制御手段を備え、複数のアンテナコイル間の接続を適宜切り替えることで、最適な電圧及び電流が得られる様に調整するＩＣカードおよび給電装置により、無線伝送を用いて電力を送電する機器との間がより長い距離で隔たっている場合でも、通信が可能となる構成となっている。

更に、特許文献３では、送電データに応じてアンテナコイルに周波数の異なる第１、第２の搬送波を切替えて供給する送信回路を有する質問機と、質問機からの指示に従って信号処理を行って送信信号を送受信コイルに供給する信号処理回路とを有する応答機とを備えたデータキャリアシステムでは、質問機は搬送波を切り替えて供給して、応答機は搬送波を用いて電力を得る構造となっている。

特開平１０−２７１７１３号公報 特開２００４−１３５４５５号公報 特開平１１−８８２４１号公報

しかしながら、従来技術においては、下記の問題が発生していた。

特許文献１に記載の非接触電力伝達装置は、電力伝送用、信号伝送用として共通の１つのコアに、それぞれの伝送用コイルを用いていたため、小型化には限度が生じているとともに、１つのコアを用いているため信号伝送用に信号を分離する為のフィルタ回路が必要となっていた。

また、特許文献２に記載のＩＣカードおよび給電装置は、ＩＣカードの複雑構成と、給電装置の大型化によるコスト大が問題となっていた。

更に、特許文献３に記載のデータキャリアシステムは、１つのアンテナコイルで搬送波を切り替えているため、質問機側に分周回路、搬送波にデータを乗せているために質問機、応答機のそれぞれに復調・変調回路が必要となり小型化が難しかった。

そこで本発明は、低コストで、小型な上に、電力伝送と信号伝送を切り替えて伝送することにより伝送信号品質が向上した、非接触電力伝送及び通信システムを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、本発明の非接触電力伝送及び通信システムは、電力伝送時と信号伝送時において、送電コイルの第１のコイルと第２のコイルと、受電コイルの第１のコイルと第２のコイルの接続をスイッチング部により切り替える構成を用いたものである。

すなわち、本発明によれば、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設けた受電装置を備え、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の間で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って、前記送電コイル及び前記受電コイルは、それぞれ、基板上に形成された一つのコイルからなり、第１のコイル部と、前記第１のコイル部の一端部と接続した第２のコイル部と、前記第１のコイル部の一端部と前記第２のコイル部の接続部と接続した第１の調整回路と、前記第２のコイル部の前記第１のコイル部と接続しない他端部と接続した第２の調整回路とで構成され、ＦＥＴを有し、前記電力伝送と信号伝送を回路により切り替えるスイッチング部を備え、前記ＦＥＴをオンまたはオフにすることにより、前記電力伝送時、前記第２の調整回路を接続し、前記送電コイルの第１のコイル部と第２のコイル部のインピーダンス及び前記受電コイルの第１のコイル部と第２のコイル部のインピーダンスを調整し、前記信号伝送時、前記第１の調整回路を接続し、前記送電コイルの第１のコイル部のインピーダンス及び前記受電コイルの第１のコイル部のインピーダンスを調整するよう構成されたことを特徴とする非接触電力伝送および通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記送電コイルと前記受電コイルによるＩＤ認証を行ってから非接触電力伝送および通信を開始することを特徴とする上記の非接触電力伝送および通信システムが得られる。

また、本発明によれば、電力伝送時と信号伝送時の伝送周波数が異なることを特徴とする上記の非接触電力伝送および通信システムが得られる。

本願においては、電力伝送時に、第１のコイルと第２のコイルを、信号伝送時に第１のコイルを用いる構成を取っているが、電力伝送時に第１のコイルを、信号伝送時に第１のコイルと第２のコイルの構成等、その伝送に応じて構成を変えても、同様な手段によって対応できるのは明らかである。

本発明の非接触伝送システムは、電力伝送時と信号伝送時に用いる送電コイルと受電コイル主コイルを、スイッチング部により第１のコイルと第２のコイルの接続を切り替えることにより、従来、電力伝送と信号伝送用にそれぞれ設けていたコイルを、第１のコイルを電力伝送時と信号伝送時の両方で共用することにより、省資源で電力伝送と信号伝送に適した伝送コイルを構成することにより、低コストで、小型な上に、電力伝送と信号伝送を切り替えて伝送することにより伝送信号品質が向上した、非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

本発明に係る電力伝送時のコイルの構成図である。 本発明に係る信号伝送時のコイルの構成図である。 本発明に係るＦＥＴによりスイッチング部を構成する場合の回路図である。 従来の非接触電力伝達装置のコイルの構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の非接触電力伝送及び通信システムは、電力伝送時には、第１のコイルと第２のコイルとインピーダンスを調整する第２の調整回路を接続して構成し、信号伝送時には、第１のコイルとインピーダンスを調整する第１の調整回路を接続して構成し、電力伝送・信号伝送の切り替えるスイッチング部とにより構成することを特徴とする非接触電力伝送及び通信システムである。

図１は、本発明に係る電力伝送時のコイルの構成図である。図２は、本発明に係る信号伝送時のコイルの構成図である。送電コイルと受電コイルは、近接配置させやすいように設けている。図１、２では、使用するコイルのみ斜線を用いて表す。

本発明の非接触電力伝送及び通信システムは、送電コイル２を有する送電装置１と送電コイル２に電磁結合する受電コイル２２を設けた受電装置２１を備え、送電装置１と受電装置２１とを近接配置することにより送電コイル２と受電コイル２２との電磁結合を介して、送電装置１から受電装置２１への非接触の電力伝送および送電装置１と受電装置２１間で非接触の信号伝送を行う。送電装置１と受電装置２１を近接配置させると、送電装置１は受電装置２１を認識するため、データ通信により、ＩＤ認証を行い、ＩＤ認証が成立されてから、電力伝送を開始する。従って、ＩＤ認証が成立するまでの間は、送電コイル２、受電コイル２２は、信号伝送を行うための構成にして、ＩＤ認証が成立してデータ通信が終了すると、スイッチング部５、２５を切り替えて、送電コイル２、受電コイル２２を電力伝送の構成にする。

電力伝送時の送電装置は、図１に示すように、送電装置１の基板１０上に、送電コイル２をスイッチング部５の切り替えにより、第２の調整回路７と接続し第１の調整回路６と接続しないことにより第１のコイル部３と第２のコイル部４と第２の調整回路７により１つのコイルとして構成できるようにする。第２のコイル部４と接続されていない第１のコイル部３の端部は、スルーホール９により送電コイル２が構成している基板１０の反対側に接続され、ジャンパ８等により指定の接続端子に接続する。第２の調整回路は、第２のコイル部４とスルーホール９により送電コイル２が構成している基板１０の反対側で接続され、スイッチング部５と接続されて、その後指定の接続端子に接続する。

同様に電力伝送時の受電装置は、図１に示すように、受電装置２１の基板３０上に、受電コイル２２をスイッチング部２５の切り替えにより、第２の調整回路２７と接続し第１の調整回路２６と接続しないことにより第１のコイル部２３と第２のコイル部２４と第２の調整回路２７により１つのコイルとして構成できるようにする。第２のコイル部２４と接続されていない第１のコイル部２３の端部は、スルーホール２９により受電コイル２２が構成している基板３０の反対側に接続され、ジャンパ２８等により指定の接続端子に接続する。第２の調整回路は、第２のコイル部２４とスルーホール２９により受電コイル２２が構成している基板３０の反対側で接続され、スイッチング部２５と接続されて、その後指定の接続端子に接続する。本願の送電コイル２と受電コイル２２は、ジャンパ８、２８やスルーホール９、２９を用いて電磁結合が容易な平面コイルに、構成しているが、スルーホールやジャンパの有無は問わない。

信号伝送時の送電装置は、図２に示すように、送電装置１の基板１０上に、送電コイル２をスイッチング部５の切り替えにより、第１の調整回路６接続し第２の調整回路７と接続しないことにより第１のコイル部３と第１の調整回路６により１つのコイルとして構成できるようにする。第１の調整回路６と接続されていない第１のコイル部３の端部は、スルーホール９により送電コイル２が構成している基板１０の反対側に接続され、ジャンパ８等により指定の接続端子に接続する。第１の調整回路６は、第１のコイル部３とスルーホール９により送電コイル２が構成している基板１０の反対側で接続され、スイッチング部５と接続されて、その後指定の接続端子に接続する。

同様に信号伝送時の受電装置は、図２に示すように、受電装置２１の基板３０上に、受電コイル２２をスイッチング部２５の切り替えにより、第１の調整回路２６接続し第２の調整回路２７と接続しないことにより第１のコイル部２３と第１の調整回路２６により１つのコイルとして構成できるようにする。第１の調整回路２６と接続されていない第１のコイル部２３の端部は、スルーホール２９により送電コイル２２が構成している基板３０の反対側に接続され、ジャンパ２８等により指定の接続端子に接続する。第１の調整回路２６は、第１のコイル部２３とスルーホール２９により受電コイル２２が構成している基板３０の反対側で接続され、スイッチング部２５と接続されて、その後指定の接続端子に接続する。本願の送電コイル２と受電コイル２２は、ジャンパ８、２８やスルーホール９、２９を用いて電磁結合が容易な平面コイルに、構成しているが、スルーホールやジャンパの有無は問わない

前記スイッチング部５、２５の切り替えは、制御プログラムまたは回路により行い、電力伝送、信号伝送の構成を切り替えする。

電力伝送時と信号伝送時の周波数は異なる周波数を用いてもよく、例えば信号伝送時の周波数を１３．５６ＭＨｚで行い、電力伝送時の周波数は、１３．５６ＭＨｚより低い周波数で駆動することにより、効率よく電力伝送を行うことができる。これは、一般にパワートランジスタの特性としてスイッチング周波数が低いと、動作周波数に起因するスイッチングロスが少なくなるためである。

本発明の非接触伝送システムの電力伝送、信号伝送の切り替えを行うスイッチング部を、制御プログラムにより構成した場合について説明する。

前記送電装置と受電装置のスイッチング部を説明するために、一例として、電力伝送時の送電装置のスイッチング部の構成を取り上げて説明する。図１に示す送電装置１のスイッチング部５は、外部制御信号により信号を切り替えることが可能なリレー等の部品により、構成されている。最初にＩＤ認証が成立すると、スイッチング部５を、送電装置に内蔵されているマイコン等の制御プログラムにより、電力伝送時の送電コイル２の切り替え信号を出力してスイッチング部５を切り替えて、第１のコイル部３と第２のコイル４と第２の調整回路７を接続するように切り替える。同様にして、受電装置２１のスイッチング部２５も、外部制御信号により信号を切り替えることが可能なリレー等の部品により、構成されており、最初のＩＤ認証が成立すると、スイッチング部２５を、受電装置に内蔵されているマイコン等の制御プログラムにより、電力伝送時の受電コイル２２の切り替え信号を出力してスイッチング部２５を切り替えて、第１のコイル部２３と第２のコイル部２４と第２の調整回路２７を接続するように切り替える。

電力伝送と信号伝送の切り替えは、所定の間隔で切り替えるか、または、信号伝送により必要に応じて切り替え間隔を調整することとして、送電装置１、受電装置２１内のマイコン等の制御プログラムにより行われる。

本発明の非接触伝送システムの電力伝送、信号伝送の切り替えを行うスイッチング部を、回路により構成した一例として、ＦＥＴを用いた場合について説明する。図３は、本発明に係るＦＥＴによりスイッチング部を構成する場合の回路図である。

前記送電装置と受電装置のスイッチング部を説明するために、送電装置のスイッチング部の構成を取り上げて説明する。スイッチング部４０を回路で構成する実施例として、第１の調整回路６を接続する第１選択入力端子４７、第２の調整回路７を接続する第２選択入力端子４８と、ｐ型チャンネルＦＥＴ（以下「Ｐｃｈ−ＦＥＴ」と表記する）４２と、ｎ型チャンネルＦＥＴ（以下「Ｎｃｈ−ＦＥＴ」と表記する）４１と、抵抗４４と、コンデンサ４３と、ダイオード４５と、コイルで発生する磁界を検出する磁界センサ出力を入力する制御信号入力端子４６と、選択されたコイルと接続する選択出力端子４９と、から構成される。

例えば、磁界検出の機能を有するセンサで検出された電圧を制御信号入力端子４６に入力して、ダイオード４５で半波整流し、抵抗４４、コンデンサ４３で平滑した電圧をＰｃｈ−ＦＥＴ４２、Ｎｃｈ−ＦＥＴ４１のゲートに入力する。磁界検出センサで検出する電圧レベルは、電力伝送時と信号伝送時を比較すると、電力伝送時の方が信号伝送時よりも電圧レベルが大きくなる。Ｐｃｈ−ＦＥＴ４２とＮｃｈ−ＦＥＴ４１のゲートがオンする閾値を電力伝送時の電圧レベルと信号伝送時の電圧レベルの中間に設定すると、電力伝送時は、抵抗４４、コンデンサ４３で平滑した電圧レベルがＦＥＴのゲートがオンする閾値よりも高いため、Ｎｃｈ−ＦＥＴ４１はオン、Ｐｃｈ−ＦＥＴ４２はオフになり、選択出力端子４９は第２選択入力端子４８と接続され、第１選択入力端子４７とはオープンの関係になる。信号伝送時は、反対に抵抗４４、コンデンサ４３で平滑した電圧レベルがＦＥＴのゲートがオンする閾値よりも低いため、Ｎｃｈ−ＦＥＴ４１はオフ、Ｐｃｈ−ＦＥＴ４２はオンし、選択出力端子４９は第１選択入力端子４７と接続され、第２選択入力端子４８とはオープンの関係になる。

送電装置のスイッチング部５の構成を取り上げて説明したが、同様にして受電装置のスイッチング部２５も制御される。

以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

１ 送電装置
２ 送電コイル
３ 第１のコイル部
４ 第２のコイル部
５ スイッチング部
６ 第１の調整回路
７ 第２の調整回路
８ ジャンパ
９ スルーホール
１０ 基板
２１ 受電装置
２２ 受電コイル
２３ 第１のコイル部
２４ 第２のコイル部
２５ スイッチング部
２６ 第１の調整回路
２７ 第２の調整回路
２８ ジャンパ
２９ スルーホール
３０ 基板
４０ スイッチング部
４１ Ｎｃｈ−ＦＥＴ
４２ Ｐｃｈ−ＦＥＴ
４３ コンデンサ
４４ 抵抗
４５ ダイオード
４６ 制御信号入力端子
４７ 第１選択入力端子
４８ 第２選択入力端子
４９ 選択出力端子
６０ 電源装置
６１ ハウジング
６２ 電力伝送用一次巻線
６３ 信号伝送用二次巻線
６４ Ｃ型コア
７０ 負荷機器
７１ ハウジング
７２ 電力伝送用二次巻線
７３ 信号伝送用一次巻線
７４ Ｃ型コア

Claims (3)

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設けた受電装置を備え、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の間で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って、
   前記送電コイル及び前記受電コイルは、それぞれ、基板上に形成された一つのコイルからなり、第１のコイル部と、前記第１のコイル部の一端部と接続した第２のコイル部と、前記第１のコイル部の一端部と前記第２のコイル部の接続部と接続した第１の調整回路と、前記第２のコイル部の前記第１のコイル部と接続しない他端部と接続した第２の調整回路とで構成され、
   ＦＥＴを有し、前記電力伝送と信号伝送を回路により切り替えるスイッチング部を備え、
   前記ＦＥＴをオンまたはオフにすることにより、
   前記電力伝送時、前記第２の調整回路を接続し、前記送電コイルの第１のコイル部と第２のコイル部のインピーダンス及び前記受電コイルの第１のコイル部と第２のコイル部のインピーダンスを調整し、
   前記信号伝送時、前記第１の調整回路を接続し、前記送電コイルの第１のコイル部のインピーダンス及び前記受電コイルの第１のコイル部のインピーダンスを調整するよう構成された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. 前記送電コイルと前記受電コイルによるＩＤ認証を行ってから非接触電力伝送および通信を開始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。
3. 電力伝送時と信号伝送時の伝送周波数が異な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。

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