(57)【要約】【課題】送電側の出力制御と競合しないように、送電側とは独立して共振周波数調整を行って受電電力の最適化を行う受電装置を提供する。【解決手段】非接触充電装置５０から送電される電力を受電し、非接触充電装置５０とデータを送受信するアンテナ２ａを有する共振回路を含む送受信部２と、送受信部２によって受電された電力によって２次電池６の充電を含む電源制御を行う充電制御部５と、２次電池６の充電状態及び／又は２次電池６で動作する機器本体３０の電源状態を表す制御状態データを生成して送受信部２を介して非接触充電装置５０に送信する制御部３とを備える。制御部３は、通常の電力供給を行う受電モードと、共振回路の共振周波数を調整することによって受電電力の調整を行う調整モードとを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触充電装置から送電される電力を受電し、該非接触充電装置とデータを送受信するアンテナを有する共振回路を含む送受信部と、
上記送受信部によって受電された電力を用いて、２次電池の充電を含む電源制御を行う充電制御部と、
上記２次電池の充電状態及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源の制御状態を表す制御状態データを生成して、上記送受信部を介して上記非接触充電装置に送信する制御部とを備え、
上記制御部は、
上記制御状態データに基づいて送電される電力を、上記充電制御部を介して上記２次電池の充電のために用い、及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源のために用いる受電モードと、
上記制御状態データを所定の一定値に固定し、上記共振回路の共振周波数を調整することによって受電電力の調整を行う調整モードとを有することを特徴とする受電装置。
【請求項２】
上記調整モードでは、上記制御部は、負荷に対して一定電力を供給するように、上記充電制御部を制御することを特徴とする請求項１記載の受電装置。
【請求項３】
上記調整モードでは、
上記制御部は、上記共振周波数を初期値に設定して、上記送電された電力に関連する受電データを測定し、該共振周波数を所定の値だけ変化させて、該共振周波数の変化の前後の該受電データの変化量が所定のしきい値に到達するまで該共振周波数に対する該受電データを測定し、該変化量が該しきい値に到達したときの共振周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の受電装置。
【請求項４】
上記共振周波数の初期値は、設定できる共振周波数の範囲の最小値であり、上記データは、送受信部で受電される信号の電圧値及び／又は電流値であることを特徴とする請求項３記載の受電装置。
【請求項５】
上記調整モードは、周期的に実行されることを特徴とする請求項１記載の受電装置。
【請求項６】
上記調整モードを実行する周期は、該調整モードの設定の応答時間の逆数よりも長いことを特徴とする請求項５記載の受電装置。
【請求項７】
上記制御状態データは、上記２次電池の充電状態及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源状態と、これらの目標値との差分に基づくフィードバック量であり、
上記調整モードでは、上記制御部は、上記フィードバック量を０に設定することを特徴とする請求項１記載の受電装置。
【請求項８】
上記充電制御部は、上記２次電池を充電する充電経路と、該充電経路を経ずに機器に直接に電源を供給する電源経路とを有し、上記調整モードでは、該電源経路を遮断することを特徴とする請求項１又は７記載の受電装置。
【請求項９】
上記受電モード及び／又は上記調整モードでは、上記制御状態データが、所定のしきい値よりも大きい場合に当該受電装置の動作を停止することを特徴とする請求項１〜８いずれか１項記載の受電装置。
【請求項１０】
受電モード及び調整モードを有する、非接触充電の受電装置の受電電力調整方法において、
上記受電モードでは、
送受信部によって、非接触充電装置から送電される電力を受電し、又はデータを受信し、
充電制御部によって、上記電力を用いて、２次電池の充電を含む電源を制御し、
制御部によって、上記２次電池の充電状態及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源の制御状態を表す制御状態データを生成して、上記送受信部を介して該制御状態データを上記非接触充電装置に送信し、該制御状態データに基づいて送電される電力を、上記充電制御部を介して上記２次電池に供給し、及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源に供給し、
上記調整モードでは、
上記制御部によって、所定の一定値に固定された上記制御状態データを、上記送受信部を介して上記非接触充電装置に送信し、該制御状態データに基づいて送電される電力を、上記充電制御部を介して上記２次電池に供給し、及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源に供給し、
上記制御部によって、上記送受信部を構成する共振回路の共振周波数を調整して、受電電力を調整することを特徴とする受電電力調整方法。
【請求項１１】
上記調整モードでは、上記制御部によって、負荷に対して一定電力を供給するように、上記充電制御部を制御することを特徴とする請求項１０記載の受電電力調整方法。
【請求項１２】
上記調整モードでは、更に、上記制御部によって、
上記共振周波数を初期値に設定して、上記送電された電力に関連する受電データを測定し、
上記共振周波数を所定の値だけ変化させて、該共振周波数の変化の前後の上記受電データの変化量が所定のしきい値に到達するまで上記共振周波数に対する上記受電データを測定し、
上記変化量が上記しきい値に到達したときの共振周波数に設定することを特徴とする請求項１０又は１１記載の受電電力調整方法。
【請求項１３】
上記共振周波数の初期値は、設定できる共振周波数の範囲の最小値であり、上記データは、送受信部で受電される信号の電圧値及び／又は電流値であることを特徴とする請求項１２記載の受電電力調整方法。
【請求項１４】
上記調整モードは、周期的に実行されることを特徴とする請求項１０記載の受電電力調整方法。
【請求項１５】
上記調整モードを実行する周期は、該調整モードの設定の応答時間の逆数よりも長いことを特徴とする請求項１４記載の受電電力調整方法。
【請求項１６】
上記制御状態データは、上記２次電池の充電状態及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源状態と、これらの目標値との差分に基づくフィードバック量であり、
上記調整モードでは、上記制御部は、上記フィードバック量を０に設定することを特徴とする請求項１０記載の受電電力調整方法。
【請求項１７】
上記充電制御部は、上記２次電池を充電する充電経路と、該充電経路を経ずに機器に直接に電源を供給する電源経路とを有し、上記調整モードでは、上記充電制御部によって、該電源経路を遮断することを特徴とする請求項１０又は１６記載の受電電力調整方法。
【請求項１８】
上記受電モード及び／又は上記調整モードには、受電装置以外の金属物を検知することを更に有することを特徴とする請求項１０〜１７いずれか１項記載の受電電力調整方法。
【請求項１９】
プログラムを格納する記憶部と、格納されたプログラムを展開して実行する処理ユニットを有する制御部とを備える非接触充電用の受電装置の受電電力調整プログラムであって、
非接触充電装置からの電力を受電する受電モードでは、
送受信部によって、非接触充電装置から送電される電力を受電し、又はデータを受信するステップと、
充電制御部によって、上記電力を２次電池の充電を含む電源を制御するステップと、
制御部によって、上記２次電池の充電状態及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源の制御状態を表す制御状態データを生成して、上記送受信部を介して該制御状態データを上記非接触充電装置に送信し、該制御状態データに基づいて送電される電力を、上記充電制御部を介して上記２次電池に供給し、及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源に供給するステップとを有し、
受電電力を調整する調整モードでは、
上記制御部によって、所定の一定値に固定された上記制御状態データを、上記送受信部を介して上記非接触充電装置に送信し、該制御状態データに基づいて送電される電力を、上記充電制御部を介して上記２次電池に供給し、及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源に供給するステップと、
上記制御部によって、上記送受信部を構成する共振回路の共振周波数を調整して、受電電力を調整するステップとを有する受電電力調整プログラム。
【請求項２０】
上記調整モードでは、上記制御部によって、負荷に対して一定電力を供給するように、上記充電制御部を制御することを特徴とする請求項１９記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２１】
上記調整モードでは、上記制御部によって、
上記共振周波数を初期値に設定して、上記送電された電力に関連する受電データを測定するステップと、
上記共振周波数を所定の値だけ変化させて、該共振周波数の変化の前後の上記受電データの変化量が所定のしきい値に到達するまで上記共振周波数に対する上記受電データを測定ステップと、
上記変化量が上記しきい値に到達したときの共振周波数に設定するステップとを更に有することを特徴とする請求項１９又は２０記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２２】
上記共振周波数の初期値は、設定できる共振周波数の範囲の最小値であり、上記データは、送受信部で受電される信号の電圧値及び／又は電流値であることを特徴とする請求項２１記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２３】
上記調整モードは、周期的に実行されることを特徴とする請求項１９記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２４】
上記調整モードを実行する周期は、該調整モードの設定の応答時間の逆数よりも長いことを特徴とする請求項２３記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２５】
上記制御状態データは、上記２次電池の充電状態及び／又は該２次電池で動作する機器本体の電源状態と、これらの目標値との差分に基づくフィードバック量であり、
上記調整モードでは、上記制御部は、上記フィードバック量を０に設定することを特徴とする請求項１９記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２６】
上記充電制御部は、上記２次電池を充電する充電経路と、該充電経路を経ずに機器に直接に電源を供給する電源経路とを有し、上記調整モードでは、上記充電制御部によって、該電源経路を遮断することを特徴とする請求項１９又は２５記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２７】
上記受電モード及び／又は上記調整モードには、受電装置以外の金属物を検知するステップを更に有することを特徴とする請求項１９〜２６いずれか１項記載の受電電力調整プログラム。
【請求項２８】
請求項１９〜２６いずれか１項に記載された受電電力調整プログラムを格納する記憶部を備える半導体装置。
【請求項２９】
上記受電電力調整プログラムを展開して実行する制御部を更に備える請求項２８記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触充電装置から送電される電力を受電する受電装置、受電電力調整方法、受電電力調整プログラム、及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電動歯ブラシや電動シェーバといった主に水回りで用いられる充電式の電気製品においては、充電器とこれら電気製品との接続のための接続電極を露出させないように非接触方式の充電器が利用されてきた。このような非接触方式の充電器の利用は、近年では、安全性の観点から、家庭用ゲーム機器やコードレス電話、携帯電話等にも拡大している。一般的には、充電器とこれら電気製品とは１対１に対応しており、ある電気製品に対しては、専用充電器が提供される。
【０００３】
ところで、携帯電話、スマートフォン等の携帯端末機器は、その需要が大幅に拡大している一方で、これらの電源の確保が課題となっている。これらの携帯端末機器においても、専用の充電器やＡＣアダプタによって電源を確保するが、これらを携帯することなく、外出先で電源を確保する場合に、携帯端末機器の種類ごとに充電器やアダプタを用意するのは、あまりに多種類を用意しなければならず現実的でない。非接触充電方式を採用すれば、電源接続端子の仕様に関わらず自由に電源接続できるとのメリットがある。そこで、充電器と携帯端末機器との充電方式の共通化、標準化が求められることになった。
【０００４】
たとえば、ワイヤレスパワーコンソーシアム（Wireless Power Consortium、ＷＰＣ）では、主に携帯端末機器向けの非接触充電方式の標準規格としてＱｉ（チー）がリリースされており、規格を満たした充電器、携帯端末機器間では、種類を選ばずに充電を行うことが可能になった。
【０００５】
これらＱｉをはじめとする非接触充電方式では、充電装置が有する１次側アンテナと受電装置が有する２次側アンテナとを電磁結合させ、あるいは磁気共鳴させることで電力伝送を行う。
【０００６】
このような非接触充電システムでは、充電装置と受電装置との間で非接触の電力伝送とデータ通信を行うため、１次側アンテナ及び２次側アンテナにそれぞれ共振用コンデンサを接続して共振回路を構成する。１次側と２次側とで共振回路の共振周波数を合わせることで充電装置と受電装置との安定で高効率な電力伝送及びデータ通信を実現することとしている。
【０００７】
ここで、これらのアンテナのインダクタンスＬと共振用コンデンサの静電容量Ｃは、いくつかの変動要因を持っており、想定した値になるとは限らない。たとえば、インダクタンスＬは、アンテナを構成する磁気コアの特性ばらつきや周囲温度によって特性が変動する。共振コンデンサの静電容量Ｃも、初期ばらつき、温度特性や電圧依存性により変動する。さらには、１次側アンテナと２次側アンテナ間の相互インダクタンスＭは、１次側と２次側の距離や相対位置によって変化し、充電装置と受電装置とは物理的に分離しているので、相互の位置関係についても一定とすることが困難である。
【０００８】
上述したような各種要因により共振周波数がずれると、電力の伝送効率が低下し、発熱の問題が顕在化し、機器の小型化、低消費電力化を阻害する。また、伝送効率の大幅な低下は、充電時間の延長や、充電のタイムアウトといったシステム上の問題をも引き起こす可能性がある。
【０００９】
したがって、１次側及び２次側の共振周波数を最適な値に合わせておくことが大きな問題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−００５９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１には、リーダライタと非接触通信を行うＩＣカードにおいて、ＩＣカードの共振周波数を、リーダライタからの受信信号の振幅が最大になるように調整する技術が開示されている。
【００１２】
しかしながら、このような方式を非接触充電システムに適用すると、送信電力が変化した場合に、最大電圧を検出するのが困難であるとの問題がある。
【００１３】
たとえば、Ｑｉ等の非接触充電システムにおいては、一般の電源制御方式と同様に、受電側の電力を必要な値に制御するために送電側の出力電力を制御する方式がとられている。ただし、送電側と受電側とで物理的に分離されているので、受電側から送電側へのフィードバックは、無線通信データを送信することによって行われる。
【００１４】
Ｑｉの場合には、受電側で必要な電力と、送電された電力との差分をエラー信号として送電側に送信し、送電側では、この差分がゼロになるように制御を行うこととしている。このような通信は、間欠的に行われており、特許文献１に記載された技術のように受電電圧が最大になるように、送電側の制御とは無関係に共振周波数を調整すると、負荷電圧や負荷電流に影響を与えてしまい、これに応じてエラー信号が変化してしまう。そうすると、送電側ではエラー信号の変化をキャンセルするように送電出力を変化させてしまい、結果として制御が収束しないハンチング現象を生ずるおそれがある。
【００１５】
このようなハンチング現象等の不安定動作を防止するためには、送電側と受電側とで協調した制御を行うようにすればよいが、システム規模が大きくなることに加え、すでに導入されているＱｉ等の標準規格との互換性を維持することが困難であるとの問題がある。
【００１６】
さらに、受電側では、２次電池の充電制御を行いながら、機器本体を動作させる場合があり、機器本体の動作電流が一定ではないために、このような負荷電流の変化によって受信電圧変化が生じてしまい、共振周波数の最適化調整が困難であるとの問題もある。
【００１７】
そこで、本発明は、送電側の出力制御と競合しないように、送電側とは独立して共振周波数調整を行い受電電力の最適化を行う受電装置、受電電力調整方法、受電電力調整プログラム及び半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するための手段として、本発明の一実施形態に係る受電装置は、非接触充電装置から送電される電力を受電し、非接触充電装置とデータを送受信するアンテナを有する共振回路を含む送受信部と、送受信部によって受電された電力を用いて、２次電池の充電を含む電源制御を行う充電制御部と、２次電池の充電状態及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源の制御状態を表す制御状態データを生成して、送受信部を介して非接触充電装置に送信する制御部とを備える。そして、制御部は、制御状態データに基づいて送電される電力を、充電制御部を介して２次電池の充電のために用い、及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源のために用いる受電モードと、制御状態データを所定の一定値に固定し、共振回路の共振周波数を調整することによって受電電力の調整を行う調整モードとを有する。
【００１９】
また、本発明の一実施の形態に係る受電電力調整方法は、受電モード及び調整モードを有する。受電モードでは、送受信部によって、非接触充電装置から送電される電力を受電し、又はデータを受信し、充電制御部によって、電力を用いて、２次電池の充電を含む電源を制御し、制御部によって、２次電池の充電状態及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源の制御状態を表す制御状態データを生成して、送受信部を介して制御状態データを非接触充電装置に送信し、制御状態データに基づいて送電される電力を、充電制御部を介して２次電池に供給し、及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源に供給する。調整モードでは、制御部によって、所定の一定値に固定された制御状態データを、送受信部を介して非接触充電装置に送信し、制御状態データに基づいて送電される電力を、充電制御部を介して２次電池に供給し、及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源に供給し、制御部によって、送受信部を構成する共振回路の共振周波数を調整して、受電電力を調整する。
【００２０】
本発明の一実施の形態に係る受電電力調整プログラムは、プログラムを格納する記憶部と、格納されたプログラムを展開して実行する処理ユニットを有する制御部とを備える非接触充電用の受電装置の受電電力調整プログラムである。非接触充電装置からの電力を受電する受電モードでは、送受信部によって、非接触充電装置から送電される電力を受電し、又はデータを受信するステップと、充電制御部によって、電力を２次電池の充電を含む電源を制御するステップと、制御部によって、２次電池の充電状態及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源の制御状態を表す制御状態データを生成して、送受信部を介して制御状態データを非接触充電装置に送信し、制御状態データに基づいて送電される電力を、充電制御部を介して２次電池に供給し、及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源に供給するステップとを有する。受電電力を調整する調整モードでは、制御部によって、所定の一定値に固定された制御状態データを、送受信部を介して非接触充電装置に送信し、制御状態データに基づいて送電される電力を、充電制御部を介して２次電池に供給し、及び／又は２次電池で動作する機器本体の電源に供給するステップと、制御部によって、送受信部を構成する共振回路の共振周波数を調整して、受電電力を調整するステップとを有する。
【００２１】
本発明の一実施の形態に係る半導体装置は、受電電力調整プログラムを格納する記憶部を備える。
【００２２】
本発明の他の実施の形態に係る半導体装置は、受電電力調整プログラムを展開して実行する制御部を更に備える。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、出力制御を行う受電モードとは別に、受電装置の共振周波数を調整して受電電力の最適化を行う調整モードを有しているので、ハンチング現象等の不安定状態に陥ることなく、受電側の共振周波数を調整して受電電力の最適化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明が適用された一実施の形態に係る受電装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用された一実施の形態の係る受電装置のより詳細な構成例を示すブロック図である。
【図３】（Ａ）は、本発明に係る受電装置の動作原理を説明するためのブロック図であり、（Ｂ）は、非接触充電装置と受電装置の主要部をなす共振回路の回路図である。
【図４】（Ａ）は、可変容量コンデンサの静電容量の直流バイアス依存性の一例を示すグラフであり、（Ｂ）は、（Ａ）図の可変容量コンデンサを用いた共振回路の共振周波数の直流バイアス依存性の一例を示すグラフである。
【図５】非接触充電システムの標準規格（Ｑｉ）の制御システムを示すブロック図である。
【図６】図４の可変容量コンデンサを共振回路に用いた場合の電力伝送効率の直流バイアス依存性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明が適用された一実施の形態に係る受電電力調整方法を説明するためのフローチャートであり、受電装置が通常動作を行う受電モードのフローチャートである。
【図８】本発明が適用された一実施の形態に係る受電電力調整方法を説明するためのフローチャートであり、受電装置の共振周波数を調整する調整モードのフローチャートである。
【図９】本発明が適用された一実施の形態の変形例に係る受電装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明が適用された一実施の形態の他の変形例に係る受電装置の構成例を示すブロック図である。
【図１１】図１０の構成例のより詳細な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることはもちろんである。なお、説明は、以下の順序にしたがって行う。
【００２６】
１．受電装置の構成例
２．受電装置の原理及び動作
２−１．共振周波数の調整
２−２．受電モードと調整モードの設定
２−３．負荷電力の設定
３．受電電力の調整方法
４．変形例
【００２７】
１．受電装置の構成例
図１に示すように、本発明が適用された一実施の形態に係る受電装置１は、非接触充電装置５０が備える送受信部５２の１次側アンテナ５２ａと電磁界結合する２次側アンテナ２ａを有する送受信部２を備える。また、受電装置１は、送受信部２に接続され、受信されたデータを復調し、復調されたデータに基づいて受電装置１の制御を行う制御システム部３を備える。また受電装置１は、送受信部２に接続され、受電された交流電力を整流する整流部４と、整流部４で整流された直流電力を、制御システム部３の指示にしたがって負荷電力を制御する充電制御部５とを備える。受電装置１は、さらに、充電ＳＷ部７を介して接続される２次電池６と、２次電池６で動作することができる機器本体３０とを備える。
【００２８】
送受信部２は、２次側アンテナ２ａを含み、外部信号により共振周波数の調整を行うことができる共振回路を有している。１次側アンテナ５２ａと２次側アンテナ２ａとの結合は電磁誘導によってもよく、磁気共鳴によってもよく、その他の磁気的結合を用いてもよい。
【００２９】
制御システム部３は、受電装置１の動作手順を表すプログラムが書き込まれている記憶部３ｂと、記憶部３ｂの手順にしたがって受電装置１の動作を制御する制御部３ａを含んでいる。制御部３ａは、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロコントローラである。記憶部３ｂは、たとえばマイクロコントローラに搭載されたマスクＲＯＭであってもよく、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等であってもよい。なお、これらに限定されるものではない。
【００３０】
充電制御部５は、整流部４から直流電力の供給を受けて、２次電池６の充電制御を行う。たとえば２次電池６がリチウムイオン２次電池の場合には、定電流充電／定電圧充電の切換制御や、充電終了検出等を行う。また、整流部４から直流電力の供給を受けて、制御システム部３の所定のブロックのための動作電力を供給する。
【００３１】
充電ＳＷ部７は、充電制御部５の指示にしたがって、２次電池６と、機器本体３０とに電力を供給するが、後述する所定の条件においては、２次電池６にのみ電力供給し、機器本体３０は、２次電池６からのみ電力供給を受けるようにすることができる。
【００３２】
なお、機器本体３０は、たとえば携帯電話、スマートフォン、ノートブックパソコン等の主として２次電池で駆動される携帯端末機器等が含まれる。
【００３３】
図２には、受電装置１のさらに詳細な構成を示す。図２において、太線によって電力供給経路を示し、細線によってデータ／信号の送受経路を示す。また、本実施の形態において、特徴的な信号の送受経路を１点鎖線で示す。
【００３４】
受電装置１は、送受信部２からデータを受け取り、電力を送電する非接触充電装置５０とのデータの通信を行う制御システム部３を備えている。
【００３５】
さらに詳細には、制御システム部３は、送受信部２からの変調信号を復調する復調部１４と、復調部１４で復調されたデータを解析し、各ブロックに所定の指示を行うシステム制御部１１とを有する。また、制御システム部３は、システム制御部１１で生成され、非接触充電装置５０に送信する受電装置１の負荷状態等を表す制御状態データを非接触充電装置５０に送信するために、制御状態データを変調する変調部１３を有する。また、制御システム部３は、システム制御部１１の指示に基づいて、送受信部２の共振周波数を調整する制御信号を生成する受信制御部１５を備える。また、システム制御部１１は、受電装置１の共振周波数を調整する調整モードにおいて、負荷電力を一定にするために充電制御部５に対して電力一定を表す指示を発する。
【００３６】
システム制御部１１は、図１における制御部３の主要部分に相当し、ＣＰＵ等の演算処理部により構成される。システム制御部１１は、好ましくは、動作手順を規定したプログラムを格納する記憶部３ｂを有しているが、システム制御部１１に外付けされたＲＯＭ等のメモリ素子であってもよい。また、システム制御部１１は、受信制御部１５を介して送受信部２の共振周波数の制御信号のための制御電圧を生成するＤＡＣ（Digital Analog Converter）３ｃを有する。
【００３７】
復調部１４、変調部１３、受信制御部１５は、非接触充電装置５０から送電され受電された交流電力を整流部４によって整流し、平滑化された直流電力を用いて動作する。システム制御部１１は、送電電力がない場合であっても動作する必要があるため、受電装置１で充電する対象としている２次電池６によって電力供給される。
【００３８】
充電制御部５は、整流部４で整流された直流電力によって制御システム部３内の復調部１４、変調部１３及び受信制御部１５に電力を供給し、２次電池６の充電制御を行い、さらに、充電ＳＷ７を介して機器本体３０に直流電力を供給する。充電制御部５は、送電されてきた受電電力によって動作し、また、ＡＣアダプタのような外部電源１８を接続することによって動作できるようにしてもよい。
【００３９】
充電ＳＷ部７は、２次電池６から機器本体３０へ電力を供給する経路に直列に挿入されたダイオード７ｂと、充電制御部５の出力から機器本体３０への電力供給経路に直列に挿入されたダイオード７ｃを有する。さらに、ダイオード７ｃに直列にＳＷ７ａが挿入されており、調整モードにおいて、システム制御部１１からの指示によって充電制御部５から出力された信号によって経路が切断される。
【００４０】
非接触充電装置５０は、図２に示すように、送受信部５２に送電電力を供給するインバータ部５６を備える。インバータ部５６は、商用交流電源や太陽光発電出力等が入力されて、所定の発振周波数で送受信部５２の共振回路を駆動する。データの送受信に関しては、非接触充電装置５０は、送受信部５２を介する通信のためのデータを生成するシステム制御部５１で生成されたデータを所定のキャリア周波数で変調する変調部５４と、変調部で変調された変調信号で１次側アンテナ５２ａを駆動するための送信信号部５５とを備える。送受信部５２で受信された信号を復調する復調部５３と、受信された信号によって１次側アンテナ５２ａによって構成される共振回路の共振周波数を調整する調整信号を生成する送受信制御部５７とを備える。なお、非接触充電装置５０においても、上述のように受電側とは独立に送電電力を最大化するために送受信部５２の共振周波数を調整するようにしてもよいが、本発明の範囲から外れるのでこれ以上詳細に説明しない。
【００４１】
２．受電装置の原理及び動作
２−１．共振周波数の調整
図３（Ａ）に示すように、Ｑｉ等に基づく非接触充電システムでは、１次側の非接触充電装置５０は、１次側制御部で生成された送電電力及びデータを、１次側アンテナ５２ａによって２次側の受電装置に送る。受電装置１では、送られてきた電力及びデータが、２次側アンテナ２ａによって受電され、２次側制御部３によって２次電池を充電する電力に変換され、フィードバック信号が生成される。２次側制御部３で生成されたフィードバック信号は、電源制御のため制御データとして２次側アンテナを介して、非接触充電装置に送信される。なお、Ｑｉにおいては、そのほかに受電装置１の設置検出や、認証等にもデータ通信が用いられる。
【００４２】
受電装置１の共振回路は、２次側アンテナ２ａと可変容量コンデンサＶＡＣによって構成される。非接触充電装置からの送電される電力が最適になるように、２次側制御部によって可変容量コンデンサＶＡＣに印加される直流バイアス電圧を変化させて共振周波数を調整する。
【００４３】
より具体的には、図３（Ｂ）に示すように、１次側の非接触充電装置５０の制御部は、たとえば１２０ｋＨｚの正弦波で発振し、インダクタンスＬ１と静電容量Ｃ１とからなる共振回路を励振する。１２０ｋＨｚの正弦波の電流は、インダクタンスＬ１によって磁界を発生する。発生した磁界は、受電装置１のインダクタンスＬ２を有するアンテナ２ａに結合し、インダクタンスＬ２と静電容量Ｃ２とからなる共振回路を励振する。
【００４４】
上述したように、インダクタンスＬ１と静電容量Ｃ１とからなる共振回路の共振周波数ｆ１と、インダクタンスＬ２と静電容量Ｃ２とからなる共振回路の共振周波数ｆ２とが等しい場合に、１次側アンテナと２次側アンテナとは結合が良好となり、効率よく電力を伝送することができる。実際には、２次側アンテナのインダクタンスＬ２は、アンテナを構成する磁気コアの材質、たとえばフェライトコアの透磁率等の磁気特性の初期ばらつきや温度特性によって少なくとも±２％〜±５％は変動する。また、１次側と２次側のアンテナの相互インダクタンスＭは、インダクタンスＬ１，Ｌ２とアンテナの離間距離や相対的位置に関連する結合係数ｋとの積に比例して変化する。
【００４５】
Ｍ＝ｋ・（Ｌ１×Ｌ２）０．５
【００４６】
電力の伝送効率を向上させるには、結合係数ｋを大きくしなければならないが、物理的な配置によって共振周波数の調整を行うのは困難である。また、共振用コンデンサの静電容量Ｃ２にも容量値の初期ばらつきや温度特性がある。共振用コンデンサに強誘電体コンデンサを用いる場合には、その温度特性として±１０％程度の変動を見込む必要もある。２次側アンテナ２ａの伝送効率を高めるには、２次側の共振回路のＱを高める必要もあるが、上述の各部品のばらつきを考慮すると、あまりＱを上げることができない。さらに、図３（Ｂ）に示すように、２次側の受電装置１では、負荷条件が変動するため、負荷条件を抵抗Ｒで表すと、Ｌ２、Ｃ２、Ｒからなる共振回路のＱは、負荷条件によって左右されることになるので、Ｑを上げることによる効率の向上にはあまり期待ができない。
【００４７】
したがって、共振周波数を調整するには、抵抗Ｒを固定して、すなわち負荷電力を固定し、可変容量コンデンサを用いて共振周波数を変化させる必要がある。
【００４８】
図４（Ａ）には、強誘電体を用いた可変容量コンデンサの静電容量値の電圧依存性を示す。可変容量コンデンサは、電極間に直流バイアス電圧を印加することによって静電容量値を変化させることのできるデバイスである。図４（Ａ）に示すように、無バイアス状態において、２２０ｎＦ程度であった静電容量値が、５Ｖの直流バイアスを印加すると１２０ｎＦ程度まで低下するので、−２０ｎＦ／Ｖ程度の変化率で静電容量値を可変できる。
【００４９】
この可変容量コンデンサを共振回路に用いることによって、図４（Ｂ）に示すように、無バイアス時に９０ｋＨｚであったものを、５Ｖ印加時には、１２０ｋＨｚ程度まで変化させることができる（＋６ｋＨｚ／Ｖ＝＋６．７％／Ｖ）。
【００５０】
２次側の受電装置１の共振回路に可変容量コンデンサを用いて共振周波数を調整し、受電電圧や電流を測定することによって、受電電力の最大値を探すことができる。
【００５１】
２−２．受電モードと調整モードの設定
ところで、Ｑｉ等の標準規格においては、システムに何らかの仕様を追加することによって全体の仕様に影響を与えることはできない。
【００５２】
図５は、Ｑｉに基づく非接触充電システムの概略を示すブロック図である。１次側の非接触充電装置（Power Transmitter）５０は、コンバータ部（Power Conversion Unit）５６によって、商用交流電源や太陽光発電出力等の電源から１００ｋＨｚ程度の正弦波交流に変換する。変換された交流電力は、受電装置（Power Receiver）１の２次側アンテナを有する送受信部（Power Pick-up Unit）２に受電される。ここで、受電装置１では、実際に受電した電力に基づいて、制御電力値を設定する（Determine actual Control Point １１ａ）。そして、受電装置１では、負荷が要求する要求電力値をあらかじめ設定しておき（Select desired Control Point １１ｃ）、上記で設定された制御電力値との差分を計算して、フィードバック制御のためのエラー値を設定する（Calculate Control Error Value １１ｂ）。計算されたエラー値は、受電装置の２次側アンテナから１次側アンテナを介してフィードバック制御データ（Control Error Packet ６０）を非接触充電装置５０に送信する。フィードバック制御データ６０を受信した非接触充電装置５０は、エラー値をゼロにするように、現在の送信電力値に基づいて（Determine actual Primary Cell current ５１ｄ）、新たな送信電力値を設定する（Determine new Primary Cell current ５１ａ）。これらの設定動作について、送信電力値及び制御電力値を次第に目標値に近づけるように動作させる（Control towards new Primary Cell ５１ｂ, Set new Operating Point ５１ｃ）。これらの動作手順は、間欠的、定期的に実行される。
【００５３】
上述の動作手順の途中に、上述した共振周波数の調整工程を追加すると、フィードバック動作に影響を与えるために、非接触充電システムの不安定動作を引き起こすおそれがある。また、設定された送信電力値及び制御電力値において送電、受電動作を行っているときには、２次電池の充電動作以外に機器本体が動作し、負荷電力が変動している場合もあり、そのような条件下で共振周波数の調整を行うことはできない。
【００５４】
そこで、図１〜図３において示したように、本発明の一実施の形態では、受電装置１の動作モードを複数用意する。動作モードの１つである「受電モード」では、Ｑｉ等の標準規格にしたがって２次電池の充電動作等を通常どおり行う。他の動作モードである「調整モード」では、受電モードを停止させ、非接触充電装置５０からの送電電力が一定になるように設定をした後、一定電力が送電されている状態で、共振回路の共振周波数を調整する。調整モードでは、一定電力を送電させるために、受電装置１の側で、エラー値を「ゼロ」に設定する。非接触充電装置５０では、エラー値が「ゼロ」に設定されると現在の送電電力が、目標値に到達した認識するので、受電装置１に一定電力を送電することになる。
【００５５】
そして、一定電力が送電され、受電装置１で受電されている状況において、受電装置１の送受信部の共振周波数を図３において説明した方法によって調整する。
【００５６】
図６に示すように、一定負荷条件において、共振回路を構成する可変容量コンデンサの両端に印加する直流バイアス電圧を０Ｖから次第に上昇させていくと、共振周波数が上昇し、伝送効率が上昇する。印加電圧が４Ｖ付近を超え、共振周波数を上昇させると逆に効率が低下する。このような効率特性を示す場合には、受電装置１において、可変容量コンデンサに印加する電圧を発生させるようにすればよい。
【００５７】
周囲温度等の条件によって共振周波数は変動するので、調整モードは、定期的起動するように設定するのが好ましい。調整モードを起動させるたびに、可変容量コンデンサに０Ｖから電圧を印加し、ステップ的に上昇させるようにして、受電された電圧あるいは電流の変化が設定値よりも大きくなった点で電圧可変をストップさせる。たとえば、図２に示す受電装置１において、システム制御部１１のＤＡＣ３ｃを用いて、印加電圧を０Ｖから徐々に上昇させて送受信部２内の可変容量コンデンサに印加するようにすればよい。
【００５８】
なお、伝送効率のピーク検出方法には、上述のほか、最大電圧をサーチするピーク検出（太陽光発電で用いられる最大電力点追従制御（Maximum power point tracking、ＭＰＰＴ）を利用してもよく、検出する対象は、最大電圧、最大電流、最大電力いずれであってもよいのは言うまでもない。また、伝送効率の共振周波数依存性は、機器の設計等によって異なる場合もあるので、電力伝送効率の最適化には、電力伝送効率の共振周波数に対する特性を取得して、その特性に合った方法で調整すればよいのは言うまでもない。
【００５９】
２−３．負荷電力の設定
受電装置１は、２次電池６の充電制御とともに、機器本体３０にも動作電力を供給する。機器本体３０は、その動作状況によって消費電力が変動するので、受電装置１からみると、負荷電力が変動することとなる。調整モードにおいて、一定電力が受電されている状況の下で機器本体３０による負荷電力の変動が生ずると、共振周波数の調整動作を行うことができない。
【００６０】
そこで、機器本体３０への直接の電力供給を停止して、機器本体３０への電力供給については、２次電池６を介して行うようにする。２次電池６が機器本体３０の負荷電力の変動に関してバッファとして機能するので、受電装置１は、ほぼ一定の負荷電力を供給すればよいことになる。
【００６１】
具体的な構成としては、図２に示すように、受電モードでは、ＳＷ７ａがダイオード７ｃ側に接続される。２つのダイオード７ｂ，７ｃによって、２次電池６の充電電圧と、機器本体３０の供給電圧の大小を比較する。２次電池６の充電電圧が機器本体３０の供給電圧よりも高い場合には、受電装置１の充電制御部５によって、２次電池６を充電し、機器本体３０は、２次電池６から電力供給を受ける。一方、２次電池６の充電電圧が機器本体３０の供給電圧よりも低い場合には、充電制御部５は、ＳＷ７ａ及びダイオード７ｃを介して機器本体３０に電力供給し、２次電池６からは、機器本体３０への電力供給を停止する。
【００６２】
調整モードでは、ＳＷ７ａが開いて、充電制御部５からダイオード７ｃを通る機器本体３０への経路を遮断する。このように設定することによって、２次電池６を介して機器本体３０に電力供給されるので、受電装置１は、２次電池６に対してのみ一定電力を供給することになる。
【００６３】
３．受電電力の調整方法
以下、図２も参照して動作手順の詳細を説明する。図７には、受電モードにおける受電装置１の動作手順のフローチャートを示す。受電モードとは、上述したとおり、非接触充電装置５０から電力が送電され、受電装置１の負荷状態に応じて送電電力を制御する動作モードである。
【００６４】
受電モードが開始されると、ステップＳ１において、負荷が充電制御部５の指示に基づいて、ＳＷ７ａが閉じて充電制御部５からＳＷ７ａ及びダイオード７ｃを通る機器本体３０への経路が形成される。２次電池６の充電電圧が機器本体３０の供給電圧よりも低いときには、２次電池６は、充電制御部５によって充電制御され、機器本体３０は、ダイオード７ｃを介して充電制御部５から直接電源供給を受ける。２次電池６の電圧が機器本体３０の供給電圧よりも高いときには、ＳＷ７ａ及びダイオード７ｃの経路は、ダイオード７ｃにより遮断され、機器本体３０は、２次電池６から電源供給を受ける。
【００６５】
ステップＳ２において、受電装置１は、異物検知を行う。異物検知とは、非接触充電装置５０の電力伝送範囲内に、受電装置１以外の金属や、規格外の受電装置があることを検知することをいう。受電装置１の２次側アンテナ２ａの近傍に金属があると、その金属によって渦電流が発生し、渦電流によるジュール熱によって金属が発熱する。このような損失によって、電力伝送効率の低下を生じるとともに、過熱による安全上の問題を生じるおそれがあるので、一定期間内に、受電装置１の受電電力が規定値に達しない場合に、異物ありと判断し、動作停止等の例外処理を行う。
【００６６】
たとえば、Ｑｉの場合このような異物検知の処理には、たとえば次のような方法を用いている。
【００６７】
最初に、１次側アンテナに流れる電流波形に相違があることを利用して、受電装置１の設置有無を判断する。そして、受電装置１が設置されていると判断した場合には、非接触充電装置５０は、受電装置１が起動する程度の小さな電力を受電装置１に送電する。起動した受電装置１は、Ｑｉの機器認証データを変調部１３で変調して送受信部２から非接触充電装置５０に送信する。非接触充電装置５０は、受電装置１から所定の機器認証データを受信した場合には、通常の送電動作に遷移し、所定の時間経過しても非接触充電装置５０が機器認証データを受信しない場合には、異物を検知したものとして、非接触充電装置５０は、送電を停止する。
【００６８】
ステップＳ２において、異物なし（Ｎｏ）と判断された場合には、通常の動作に遷移し、異物あり（Ｙｅｓ）と判断された場合には、ステップＳ５において、エラー処理を行う。エラー処理は、たとえば受電装置１の動作停止処理であり、システム制御部１１によってタイムアウト処理を行う。
【００６９】
ステップＳ３において、システム制御部１１によって、送電されて受電された電力と、受電装置１の負荷が要求する要求電力との差分を計算し、検出値（エラー値）に設定し、設定されたエラー値は、変調部１３によって、所定の変調が施され、送受信部２によって非接触充電装置５０に変調されたエラー値を送信する。
【００７０】
ステップＳ４において、調整モードに切り換えるタイミングに相当するか否かを判断し、調整モードの周期に該当しなければ、ステップＳ２に戻って定常動作を行う。調整モードの周期外であれば、定常動作を繰り返し実行する。所定の時間が経過すると、調整モードに入る。
【００７１】
図８には、調整モードにおける受電装置１の動作手順のフローチャートを示す。調整モードとは、非接触充電装置５０から送電される電力を一定にし、受電装置１の負荷状態も一定にして、送受信部２の共振周波数を調整することによって、受電電力の最適化を行う動作モードである。
【００７２】
調整モードに入る周期は、システム制御部１１によって設定される。たとえば、記憶部３ｂに書き込まれたプログラムによって指定される。調整モードが開始されると、ステップＳ１０において、システム制御部１１によってＤＡＣ３ｃの出力が「ゼロ」に設定される。ＤＡＣ３ｃの出力は、受信制御部１５を介して送受信部２の共振周波数を制御する制御電圧を形成する。図３において説明したように、可変容量コンデンサを用いて共振周波数を制御する場合には、可変容量コンデンサの両端に印加する直流バイアス電圧を０Ｖに設定する。したがって、送受信部２の共振周波数は、最低値に設定される。
【００７３】
ステップＳ１１において、受電装置１は、異物検知を行う。異物検知は、受電モードにおける動作と同じである。異物検知された場合には、ステップＳ１９において、エラー処理を行う。異物検知されない場合には、次の処理へ進む。
【００７４】
ステップＳ１２において、システム制御部１１によって、送電された受電電力と、受電装置１の負荷が要求する要求電力との差分である検出値（エラー値）を「ゼロ」に設定する。「ゼロ」に設定されたエラー値は、変調部１３によって、所定の変調を施され、送受信部２によって非接触充電装置５０に送信される。非接触充電装置５０では、フィードバック量であるエラー値が「ゼロ」であるから、受電装置１の負荷が規定の目標値に到達したものと判断され、一定の電力を送電する。
【００７５】
ステップＳ１３において、非接触充電装置５０が一定電力送電を行い、受電装置１において定常状態に達するまでの時間経過のため、システム制御部１１によって応答待ち時間１が設定される。
【００７６】
応答待ち時間１経過後、ステップＳ１４において、システム制御部１１によって、充電制御部５に対して、負荷一定動作を行うことを指示する。充電制御部５は、指示に基づいて、ＳＷ７ａを開き、充電制御部５からＳＷ７ａ及びダイオード７ｃを通る機器本体３０への経路が遮断する。したがって、機器本体３０への電力供給は、２次電池６を介して行われる。
【００７７】
ステップＳ１５において、システム制御部１１によって、負荷が定常状態に達するまでの時間経過のため、応答待ち時間２が設定される。
【００７８】
ステップＳ１６において、システム制御部１１のＤＡＣ３ｃによって、共振周波数の制御電圧を１単位分だけステップアップさせる。８ｂｉｔのＤＡＣを５Ｖ基準電源で用いた場合であれば、４ｍＶ／ｓｔｅｐを１単位としてステップアップさせることができる。設定精度については、任意に設定できることは言うまでもない。
【００７９】
ステップＳ１７において、システム制御部１１によって、ＤＡＣ出力の変化前後における受電電圧の変化ΔＶをモニタし、ΔＶが、あらかじめ設定したしきい値Ｖｔｈよりも大きくなるまでステップＳ１１〜ステップＳ１６を繰り返す。所定の時間内にしきい値Ｖｔｈに到達しないときに、エラー処理を行うようにしてもよい。
【００８０】
受電電圧の変化ΔＶが所定のしきい値ｖｔｈを超えた場合には、ステップＳ１８において、そのときのＤＡＣ３ｃの出力に固定する。
【００８１】
上述のステップＳ１８において、共振周波数が調整され、電力伝送効率が最適化されたものとして、再度受電モードに戻る。
【００８２】
上述したフローチャートをプログラムにして記憶部３ｂに格納して、各ステップにしたがってシステム制御部１１で処理させるようにすることができる。また、ミックスドシグナル技術を用いて変復調部も含めて制御システム部３すべてを１つの半導体回路として構成してもよい。いずれの機能ブロックを集積化するかは任意に決定することができるのは言うまでもない。
【００８３】
上述の各ステップを、既存のプログラムを書き換え、あるいは追加することにより実装して記憶部３ｂに格納し、あるいはプログラムを実装した記憶部３ｂを追加することによって、既存の非接触充電システムに変更を加えることなく、本発明の一実施の形態に係る受電装置１を実現することができる。
【００８４】
４．変形例
［変形例１］
以下の変形例を示す図においては、すでに説明した図１及び図２で用いた符号と同じ機能のブロックについては同じ符号を用いる。
【００８５】
図２に示した構成例においては、ＳＷ７ａを用いて調整モード時の一定電力化を行うこととしたが、機器本体３０の種類や動作によっては、動作電力が大きく変動しないものもあり、そのような場合には、図９に示すようにＳＷ７ａを省略することができる。
【００８６】
具体的には、受電モードか調整モードかによらず、２次電池６の充電電圧と、機器本体３０の供給電圧を２つのダイオード７ｂ，７ｃによって比較して、２次電池６の充電電圧が機器本体３０の供給電圧よりも高い場合には、受電装置１の充電制御部５は、２次電池６を充電しつつ、機器本体３０は、２次電池６から電力供給を受ける。一方、２次電池６の充電電圧が機器本体３０の供給電圧よりも低い場合には、充電制御部５は、ＳＷ７ａ及びダイオード７ｃを介して機器本体３０に電力供給し、２次電池６からは、機器本体３０への電力供給を停止する。
【００８７】
なお、ここで、調整モードにおいては、システム制御部１１から充電制御部５に対して、負荷電力一定の指示を出すのは図２の構成例と同様である。
【００８８】
［変形例２］
図１０に示すように、機器本体３０がいつも２次電池６の負荷として動作するように構成することによって、さらに簡単な構成とすることもできる。この変形例によれば、本発明の一実施の形態として、既存の受電装置に対して、ハードウェアの変更を要することなく実施することができる。
【００８９】
図１１に示すように、充電制御部５は、２次電池６を充電制御し、機器本体３０は、常に２次電池６を動作電源として駆動される。調整モードにおいて、充電制御部５は、システム制御部１１の指示に基づいて、負荷電力一定モードで動作するのが好ましい。
【符号の説明】
【００９０】
１  受電装置、２  送受信部、２ａ  ２次側アンテナ、３  制御システム部、３ａ  制御部、３ｂ  記憶部、３ｃ  ＤＡＣ部、４  整流部、５  充電制御部、６  ２次電池、７  充電ＳＷ部、７ａ  ＳＷ、７ｂ，７ｃ  ダイオード、１１  システム制御部、１３  変調部、１４  復調部、１５  受信制御部、１８  外部電源、３０  機器本体、５０  非接触充電装置、５１  システム制御部、５２  送受信部、５２ａ  １次側アンテナ、５３  復調部、５４  変調部、５５  送信信号部、５６  インバータ部、５７  送受信制御部、６０  フィードバック制御データ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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