(57)【要約】  無線通信を有した非接触給電システムにおいて広い充電エリアと通信エリアを確保する。  本発明は、共鳴コイルと、無線通信アンテナコイルと、給電コイルと、給電コイルに接続された感度調整回路とを有し、非接触で電力を給電する際には、給電コイルと共鳴コイルとを電磁結合させ、共鳴コイルから磁気共鳴方式を用いて電力の給電を行い、無線通信の際には、無線通信アンテナコイルと共鳴コイルを結合させ、感度調整回路で感度の向上を図る。
2014038265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的結合により電力を送電する非接触充電装置と上記非接触充電装置からの電力を非接触で受電する携帯端末装置とを有し、上記非接触充電装置と上記携帯端末装置のそれぞれは、相互間で通信を行う無線通信部を有し、上記携帯端末装置は、上記非接触充電装置により充電されるバッテリを有する非接触給電システムであって、
上記非接触充電装置は、
無線通信に用いる無線通信用アンテナコイルと、
給電コイルと共鳴コイルとを有し、送電の際に、上記給電コイルから上記共鳴コイルに電力を給電し、上記共鳴コイルから上記携帯端末装置に送電を行う電力送電用アンテナコイルと、
上記給電コイルに接続され、無線通信の際に感度を調整する調整回路とを具備する非接触給電システム。
【請求項２】
上記無線通信用アンテナコイルに接続された抑制回路を有し、電力を送電する際に、送電信号が無線通信部への漏れこむのを抑制する請求項１の非接触給電システム。
【請求項３】
上記調整回路のオン／オフ動作に半導体スイッチを用いる請求項１または請求項２の非接触給電システム。
【請求項４】
上記抑制回路のオン／オフ動作に半導体スイッチを用いる請求項２の非接触給電システム。
【請求項５】
上記共鳴コイルに接続された可変容量回路を有し、共鳴コイルと可変容量回路とによる共振周波数が、無線通信の際と送電の際とで変更される請求項１から４のいずれかの非接触給電システム。
【請求項６】
上記無線通信アンテナコイルの内側に上記送電アンテナコイルを配置した請求項１から５のいずれかの非接触給電システム。
【請求項７】
携帯端末装置との間でデータ伝送および上記携帯端末装置へ電力の供給を行う非接触充電装置であって、
データ伝送を行う無線通信部と、
上記無線通信部に結合され、上記データ伝送に用いられる無線通信用アンテナコイルと、
給電コイルと、
共鳴コイルと、
上記無線通信用アンテナコイルに接続され、上記携帯端末装置へ電力を供給する際に、上記無線通信用アンテナコイルから信号が上記無線通信部へ伝達するのを抑制する抑制回路と、
上記給電コイルに結合され、上記データ伝送時に、通信感度を制御する調整回路とを有し、
上記共鳴コイルは、データ伝送時には、転送すべきデータに従った磁束を形成し、電力を送電する時には、送電すべき電力に従った磁束を形成する非接触充電装置。
【請求項８】
上記共鳴コイルと上記無線通信アンテナコイルは、一平面に形成され、上記共鳴コイルは、上記無線通信アンテナコイルの内側に配置されている請求項７の非接触充電装置。
【請求項９】
上記共鳴コイルと上記無線通信アンテナコイルは、一平面に形成され、上記無線通信アンテナコイルは、上記共鳴コイルの内側に配置されている請求項７の非接触充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触充電装置に関し、例えば非接触ＩＣカードおよびバッテリを搭載した携帯機器に対してデータ通信および電源を供給する非接触充電装置、および携帯機器と非接触充電装置を有する非接触給電システムに適用可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電システムとして、例えば、特許文献１の図１に記載されている様なシステムが知られている。まず、この特許文献１に記載されているシステムを検討するに際して、本発明者は、特許文献１の図１に基づいて検討用の図を作成した。作成した検討用の図が、図７である。以下、この図７を用いて、非接触給電システムを説明する。【０００３】
図７に示されている非接触給電システムは、鉄道の駅や店舗などの電力提供者側に設けられる送電装置７０１と、利用者が持っている携帯電子装置７０２とを含んでいる。携帯電子装置７０２に設けられた高速大容量蓄電モジュール７２０は、非接触で送電装置７０１により充電される。そのため、送電装置７０１は、非接触充電装置とも見なせる。【０００４】
送電装置７０１は、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）リーダなどの非接触型処理モジュール７１３と、非接触型送電モジュール７１２と、送電制御モジュール７１１とを含んでいる。携帯電子装置（以下、携帯端末装置又は携帯端末とも称する）７０２は、ＮＦＣ等の非接触型処理動作のための非接触型処理モジュール７２３と、充電のための非接触型送電モジュール７２２と、充電の判断と制御を行なう送電制御モジュール７２１と、高速に充電可能な大容量蓄電モジュール７２０とを含んでいる。【０００５】
携帯端末７０２を所有している利用者は、駅や店舗などに設置された送電装置７０１に、携帯端末７０２を近接させることにより、電子決済等が行われる。近接させることにより、送電装置７０１に搭載されている非接触型処理モジュール７１３と携帯端末７０２に搭載されている非接触型処理モジュール７２３の間でデータ伝送（認証・読み書きなど）が行なわれ、電子決済等が実施される。一方、近接させることにより、送電装置７０１に搭載されている非接触型送電モジュール７１２から、携帯端末側の非接触型送電モジュール７２２に非接触により電力が送電される。非接触型送電モジュール７２２は、受電した電力を整流して高速大容量蓄電モジュール７２０の充電を行なう。同図の送電制御モジュール７１１、７２１は、これらモジュール間での非接触による送電の制御を行なうとともに、高速大容量蓄電モジュール７２０に充電を行なうための充電制御を行う。【０００６】
図７のシステムでは、非接触型処理モジュール７１３、７２３間でデータ伝送（通信）を行なっている間に、携帯端末７０２の電源（高速大容量蓄電モジュール７２０）の充電が行われるため、携帯端末７０２の充電時間を減らせることが可能となる。特に、頻繁に非接触型処理モジュール７１３、７２３間で通信を行なえば、携帯端末７０２を充電しなくとも継続的に端末の利用が可能となる。【０００７】
図７で示した非接触による通信や充電のための送電は、送電装置７０１と携帯端末７０２との間の距離が、数ｃｍ以下の比較的近距離で実施される。この様な近距離での伝送は、電磁誘導方式や磁気共鳴方式など磁気的な結合（電磁結合）による伝送が一般的である。これは、例えば電波による伝送を考えた場合、電波による伝送では、伝送エネルギー劣化が距離ｒに反比例するのに対し、電磁結合による伝送エネルギー劣化が、伝送距離ｒの２乗に反比例するためである。そのため、例えば伝送距離が１ｍよりも小さくなった場合、１／ｒよりも１／(ｒ２)の項のほうが大きくなるので、伝送距離が近いほど電磁結合による伝送が有利となる。【０００８】
非接触による通信や充電のための送電に用いられる周波数は１００ｋＨｚから１０数ＭＨｚ程度の周波数が用いられる。これらの送受に用いられるアンテナとしては、磁気的な結合を強くし、伝送効率を向上するため、数ターンから数十ターン程度のコイル状のアンテナを用いるのが一般的であり、図７で示した携帯端末に用いられる非接触通信や非接触による送電のようなアンテナとしては、端末筐体へ内蔵が可能な直径４ｃｍ程度の小型のコイル状のアンテナが用いられている（たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３５３０４２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００７年３月２６日号  ９８頁、日経ＢＰ社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図７で示した非接触給電システムでは、送電装置７０１と携帯端末７０２のそれぞれにアンテナが搭載される。この場合、受電側であるところの携帯端末７０１に搭載されるアンテナは、携帯端末の小型化のために、アンテナの小型化が要求される。これに対して、送電側であるところの送電装置７０１においては、受電装置である携帯端末７０２との非接触通信や非接触充電の際に充電エリアや無線通信エリアが広いほうが受電装置をより自由に置くことができるので、送電側である送電装置７０１に搭載されるアンテナは、より大きいほうが望ましい。しかし、送電装置７０１のアンテナを大きくすると、無線通信では通信感度が劣化して通信が十分確保できなかったり、通信ができなくなる。また、非接触による充電では、送電装置７０１のアンテナと携帯端末７０２のアンテナとの間の伝送損失が増えて充電効率が低下してしまう。【００１２】
また、非接触給電システムでは、無線通信エリアと充電エリアがほぼ一致していないと、受電装置（携帯端末７０２）が置かれる場所により、無線通信は可能であるが充電は不可となる場合や、その逆の場合も生じる。そのため、無線通信エリアと充電エリアは一致させることが望ましい。しかし、送電装置７０１における無線通信エリアと充電エリアを一致させるため、送電装置７０１における無線通信アンテナと非接触給電アンテナを接近して配置しようとすると、お互いのアンテナ同士が干渉し合い、通信感度の劣化や充電効率の劣化を招く恐れがある。特に、携帯端末を充電するために大きな電力を送電する時に、アンテナ間のアイソレーションの確保が不十分であると、電力が無線通信用の回路に漏れこんで無線通信用回路を壊してしまう可能性がある。【００１３】
また、データ伝送のための無線通信においては、電力を送電する場合に比べ、無線通信規格や法令上、送信電力が制約される。そのため、送電装置７０１に搭載される無線通信用アンテナを大きくすると、アンテナ面積に対する磁束密度が下がり、携帯端末７０２に搭載される無線通信用アンテナとの結合度が小さくなって受信感度が低下してしまう。このため、送電装置７０１においては、送電アンテナに比べ無線通信用アンテナを大きくすることに制約が生じ、結果として無線通信エリアを広くすることが難しい。【００１４】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
一実施の形態によれば、送電に用いられるアンテナとして、共鳴コイルと給電コイルが設けられる。共鳴コイルは、そのコイルの両端に容量を接続し、該コイルの有するインダクタンスと容量による共振周波数が、送電に用いる周波数と等しくなるようにされる。給電コイルは共鳴コイルと磁気的に結合され、送電電力は、磁気的な結合により給電コイルから共鳴コイルに伝達され、伝達された電力は、磁気共鳴方式で、共鳴コイルから携帯側アンテナのコイルに給電される。この場合、磁気共鳴方式の特徴として、給電コイル側の信号源インピーダンスの影響によって生じるところの共鳴コイルの損失の増加を抑えることができるため、共鳴コイルからはより強い磁界を発生することができる。そのため、磁気共鳴方式を採用する実施の形態においては、電磁誘導方式と比べコイル間（送電側のコイルと携帯側のコイルの間）の伝送距離が長く取れるとともに、送電側コイル面積を大きくすることで、広い充電エリアを確保することが可能となる。【００１６】
一実施の形態によれば、送電用アンテナのコイルは、共鳴コイルと給電コイルとを有する磁気共鳴方式で形成され、無線通信用アンテナのコイルは、数ターンからなる電磁誘導方式で形成される。送電用アンテナのコイルを形成する共鳴コイルは、無線通信用アンテナのコイルの内側に接近させて配置される。あるいは、無線通信用アンテナのコイルは、送電用のアンテナコイルの共鳴コイルの内側に接近させて配置される。これにより、送電時には、共鳴コイルを送電用に用いることができるだけでなく、無線通信時にも共鳴コイルをアンテナ用のコイルとして用いることができる。一方、無線通信用アンテナのコイルの端子間に抑制回路を設け、送電時に抑制回路がオン状態になることで、送電電力一部が無線通信用の回路に漏れるのを防ぐことが可能となり、無線通信用の回路が破壊されるのを防ぐことが可能となる。【００１７】
さらに、一実施の形態によれば、無線通信の通信感度の向上を図ることができる様に、給電コイルの端子間に調整回路が付加される。これにより、無線通信時に、該調整回路で給電コイルの端子間のインピーダンスを調整し、無線通信用アンテナコイルから給電コイル間の結合を利用して無線通信時の感度の改善を図れる。【００１８】
無線通信時と送電時とで、使用する周波数が異なる実施の形態においては、共鳴コイルに結合される共振用の容量の値が変更出来る様にされる。これにより、共振周波数を、無線通信時の周波数に適合する様に変更することも、送電時の周波数に適合する様に変更することも可能となり、異なる周波数を無線通信と送電に用いる場合であっても、共鳴コイルを無線送信時と送電時の両方で活用することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
前記一実施の形態によれば、送電時に無線通信回路に漏れ込むことで無線通信用の回路が壊れることを防ぐことが可能となる。また、無線通信時の無線通信エリアを広く取ることができ、無線通信エリアと充電エリアをお互い広くかつエリアを一致させることが可能となる。これにより、携帯端末の位置ずれに強い非接触給電システムを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】第１の実施の形態の非接触充電装置を示すブロック図である。
【図１Ｂ】第１の実施の形態の送電コイル部の配置を示す配置図である。
【図１Ｃ】第１の実施の形態の送電コイル部の配置を示す配置図である。
【図２Ａ】第２の実施の形態の非接触充電装置を示すブロック図である。
【図２Ｂ】第２の実施の形態の送電コイル部の配置を示す配置図である。
【図２Ｃ】第２の実施の形態の送電コイル部の配置を示す配置図である。
【図３】第３の実施の形態の非接触充電装置を示すブロック図である。
【図４】半導体スイッチ回路の回路図である。
【図５Ａ】無線通信時におけるアンテナ間の伝送特性を示す特性図である。
【図５Ｂ】無線通信時におけるアンテナ間の伝送特性を示す特性図である。
【図６】非接触給電システムを示すブロック図である。
【図７】先に検討した非接触給電システムのブロックを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
≪第１の実施形態≫
図１Ａには、第１の実施形態である非接触充電装置のブロックが示されている。同図において、１は非接触充電装置であり、１０１はＮＦＣなどの無線通信部、１０２は制御回路、１０３は非接触電力送電部、１０４、１０５は整合回路、１０６は抑制回路、１０７は無線通信感度の改善を行う感度調整回路（以下調整回路と称することもある）、１１０は送電アンテナ部である。送電アンテナ部１１０は、無線通信用アンテナのコイル１１１、共鳴コイル１１２、給電アンテナ用のコイル１１３（破線で示してある）、共振容量１１４を有している。特に制限されないが、無線通信部１０１および非接触電力送電部１０３のそれぞれは、１つの半導体チップに形成されている。
【００２２】
同図において、無線通信部１０１は、整合回路１０４を介し無線通信用アンテナのコイル１１１に接続されるとともに、該コイル１１１の両端には抑制回路１０６が接続されている。一方、非接触電力送電部１０３は、整合回路１０５を介し給電コイル１１３に接続されるとともに、給電コイル１１３の両端には調整回路１０７が接続されている。共振容量１１４は、共鳴コイル１１２と並列に接続され、共鳴コイル１１２の有する自己インダクタンス値と共振容量による共振周波数が送電周波数と等しくなるように各値が定められる。後の説明で理解されると思うが、抑制回路１０６は、送電の際にオン状態にされ、通信の際にはオフ状態とされる。一方、調整回路１０７は、送電の際にオフ状態にされ、通信の際にオン状態とされる。
【００２３】
上記した整合回路１０４は、抑制回路１０６がオフ状態にされているとき、無線通信部１０１とコイル１１１との間でインピーダンスが整合する様に設定される。このとき、コイル１１１は共鳴コイル１１２および給電コイル１１３とも磁気的に結合しているため、共鳴コイル１１２を設けることによって生じるコイル１１１への影響、および調整回路１０７がオン状態にされているときの給電コイル１１３によって生じるコイル１１１への影響を反映して、インピーダンスの整合が図られる。これにより、抑制回路１０６がオフ状態にされ、調整回路１０７がオン状態とされるところの通信時に、無線通信部１０１とコイル１１１との間のインピーダンス整合が最適になる様にされ、通信の感度を向上させることが可能となる。
【００２４】
この実施の形態においては、無線通信と送電とが排他的に実行される。そのため、上記した整合回路１０５は、調整回路１０７がオフ状態にされている状態で、非接触電力送電部１０３と給電コイル１１３との間のインピーダンスが整合する様に設定されている。
【００２５】
次に、非接触給電動作について以下説明する。非接触充電装置１の無線通信部１０１に設けられている制御回路１０２は、抑制回路１０６をオフ状態にし、調整回路１０７をオン状態とする。また、制御回路１０２は、無線通信部１０１を連続的あるいは間欠的に動作させて、受電装置（携帯端末：図示せず）が非接触充電装置１の近くに置かれたかどうかの検出を行う。携帯端末からの電波を無線通信部１０１が検出した場合、携帯端末（図示せず）が非接触充電装置（送電装置）１の近くに置かれたと判断し、無線通信部１０１は、携帯端末と通信を行い、置かれた携帯端末が充電対象の機器であるか否かの判断を、制御回路１０２が行う。置かれた携帯端末が充電対象の機器であると認証ができた場合は、制御回路１０２は抑制回路１０６をオン状態とし、調整回路１０７をオフ状態とする。このとき、制御回路１０２は、非接触電力送電部１０３をオン状態にする。これにより、非接触電力送電部１０３は、送電電力を整合回路１０５を介し給電コイル１１３に出力する。該送電電力は、共鳴コイル１１２を介して受電装置に送電され、受電装置内のバッテリに充電が行われる。
【００２６】
このときの送電アンテナのコイル１１１、１１２、１１３の配置および磁束の向きの一例が、図１Ｂおよび図１Ｃに示されている。図１Ｂおよび図１Ｃのそれぞれは、図１Ａに示したアンテナ部１１０の断面Ａ−Ａ‘を示した図面である。図１から理解される様に、共鳴コイル１１２は、同一平面上で、無線通信用アンテナのコイル１１１の内側に設けられており、給電用コイル１１３は、共鳴コイル１１２と重なる様に、共鳴コイル１１２よりも下面（下の面）に設けられている。特に制限されないが、それぞれのコイルは、数ターンの巻き配線で構成されている。図１のうち、図１Ｂには無線通信時の磁束が矢印で示されており、図１Ｃには電力伝送時の磁束が矢印で示されている。
【００２７】
磁束の向きとしては、コイルから携帯端末側に向かっている。無線通信時の磁束を示しているところの図１Ｂから理解される様に、このときの磁束は、無線通信用アンテナのコイル１１１から受電装置側に磁束が通っているのに加え、共鳴コイル１１２を介しての磁束も通っていると考えられる。これにより、共鳴コイル１１２を介した無線通信も行われるため、より広い通信エリアを実現することが可能となる。このときの無線通信感度は、給電コイル１１３の両端に接続された調整回路１０７を用いて調整される。すなわち、無線通信時には、調整回路１０７がオン状態とされる。調整回路１０７がオフ状態とされている送電時に、送電効率が良くなる様に、共鳴コイル１１２のインダクタンス値と共振容量１１４の値が設定されている。しかしながら、無線通信時には、給電コイル１１３と無線通信アンテナ１１１の配置が異なること等、条件の違いにより、設定された共鳴コイル１１２のインダクタンス値と共振容量１１４の値が必ずしも最適であるとはいえない。すなわち、無線通信時に、共鳴コイル１１２と共振容量１１４による共振周波数と無線通信アンテナのコイルに基づく共振周波数との間に差が生じることが考えられる。これに対応するために、無線通信時には、調整回路１０７をオン状態にして、共鳴コイル１１２と共振容量１１４とによって定まる共振周波数に、コイル１１１と調整回路１０７による共振周波数が合う様に調整する。この調整は、後で説明する様に、例えば調整回路１０７を構成する容量或いは／および抵抗の設定により行う。これにより無線通信時の感度の向上を図る。
【００２８】
次に図１Ｃに示した送電時については、給電コイル１１３からの磁束が共鳴コイル１１２と結合し、より強められて受電装置側に伝えられる。このとき、無線通信用アンテナのコイル１１１は、抑制回路１０６により、例えばコイルの端子間が短絡される。これにより、コイル１１１の内部では誘導起電力により電流が流れるが、整合回路１０４に電流が供給されるのを抑制することが可能となり、無線通信部１０１および整合回路１０４が、過剰電圧により破壊されるのを防ぐことが可能となる。
【００２９】
なお、無線通信アンテナのコイル１１１と給電コイル１１３との間、あるいは送電アンテナのコイルと無線通信アンテナコイル１１１との間で干渉が生じることが考えられるがが、無視できる程度である。
【００３０】
以上の第１の実施の形態では、無線通信アンテナコイルと送電アンテナコイルが無線通信エリアと充電のエリアが一致するように接近して配置された場合でもお互いの干渉が少なく、さらに、無線通信時には、無線通信アンテナのコイル１１１と共鳴コイル１１２が結合することで、無線通信エリアを広くすることが可能となる。また、送電時に、抑制回路１０６により、無線通信部１０１或いは整合回路１０４が破壊されるのを防ぐことが可能となる。
【００３１】
なお、この実施の形態では、送電時は、共鳴コイル１１２と携帯端末に設けられるアンテナ（コイル）との間で磁気共鳴方式で電力が供給される。このとき、共鳴コイル１１２と給電コイル１１３との間は、磁気誘導方式で結合される。また、無線通信時には、携帯端末のアンテナと、無線通信コイル１１１（共鳴コイル１１２を含む）との間で電磁誘導方式で信号の伝送が行われる。
【００３２】
《第２の実施形態》
図２Ａには、第２の実施の形態に係わる非接触充電装置のブロック図が示されている。図２Ａにおいて、図１Ａと同じ部分については、同一の符号を付してあり、同じ部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
【００３３】
図２Ａにおいて、図１Ａと異なる部分は、送電アンテナ部である。同図においは、送電アンテナ部が符号２１０として示してある。送電アンテナ部２１０は、共鳴コイル２１１、給電コイル２１２（破線で示してある）、無線通信アンテナコイル２１３、共振容量２１４を有している。後で説明する図２Ｂおよび図２Ｃからも理解されるであろうが、図１Ａに示した送電アンテナと異なり、共鳴コイル２１１と給電コイル２１２の内側に無線通信アンテナコイル２１３が配置される構成となっている。
【００３４】
図２Ｂおよび図２Ｃには、送電アンテナ部２１０のコイルの配置および磁束の向きが示されており、図２Ｂには、無線通信時の磁束の向きが矢印で示され、図２Ｃには電力伝送時の磁束が矢印で示されている。各コイル間の配置としては、同一平面上に、共鳴コイル２１１と無線通信用アンテナのコイル２１３が配置され、共鳴コイル２１１と重なる様に、共鳴コイル２１２の下面に給電コイル２１２が配置されている。すなわち、共鳴コイル２１１と給電コイル２１２の内側に無線通信用アンテナのコイル２１３が接近して配置されている。図１に示した実施の形態と同じように、図２Ａに示した断面Ａ−Ａ’が、図２Ｂおよび図２Ｃとして示されている。なお、携帯端末は、共振コイル２１１を中心にして、給電用コイル２１２の反対側に設置される。すなわち、磁束の矢印の方向に、携帯端末が置かれる。
【００３５】
図２Ａで示した第２の実施の形態の場合も、無線通信時には、図２Ｂに示した様に、無線通信用のアンテナ２１３だけではなく、共鳴コイル２１１を介して磁束が通っていると考えられる。そのため、図１Ａで示した第１の実施の形態と同様に無線通信エリアを広く取ることが可能となる。さらに、第２の実施の形態においては、無線通信の周波数と送電の周波数が異なる場合、特に、無線通信の周波数よりも送電の周波数が低いときは、電力の伝送効率の面で有利となる。これは、無線通信の周波数よりも送電の周波数が低いときは、電力伝送の効率低下を抑えるために、共鳴コイルの自己インダクタンス値を大きくする必要があるが、共鳴コイルが無線通信用のコイル２１３の外側に配置されることで、より大きな自己インダクタンス値が得られやすいためである。
【００３６】
この様に、第２の実施の形態では、第１の実施の形態で述べた効果に加え、無線通信の周波数よりも送電周波数が低いときに、電力転送の効率低下を抑えることが可能であるという効果がある。
【００３７】
《第３の実施形態》
図３には、第３の実施の形態に係わる非接触充電装置のブロック図が示されている。同図において、先に説明した図１および図２と同じ部分については、同一の符号を付してあり、同じ部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
【００３８】
図３において、図１および図２と異なる部分は、共振容量１１４（２１４）が共振容量切り替え回路３１０へ変更されていることである。
【００３９】
共振容量切り替え回路３１０は、送電時に使われる共振容量３１１と、無線通信時に使われる補正容量３１２と、スイッチ回路３１３とを有している。この切り替え回路において、共振容量３１１は補正容量３１２と直列接続され、スイッチ回路３１３は、補正容量３１２と並列接続されている。該共振容量切り替え回路３１０は、送電の周波数と無線通信の周波数が異なる際に、用いられる。すなわち、送電の周波数と無線通信の周波数が異なる場合、送電するのか無線通信をするのかで、スイッチ回路３１３はオン／オフされる。言い換えるならば、共振容量切り替え回路は３１０は、可変容量回路と見なすことができる。送電を実施するのか、無線通信を実施するのかは、制御回路１０２が決めるため、スイッチ回路３１３は、制御回路１０２によりオン／オフ制御される。送電は、無線通信に比べ低い周波数が使われることが考えられる。例えば、無線通信周波数としては、ＲＦＩＤなどで広く用いられている１３.５６ＭＨｚを用い、送電周波数としては６.７８ＭＨｚを用いることが考えられる。
【００４０】
上述した様な周波数を用いる場合、無線通信の際には、スイッチ回路３１３は制御回路１０２によりオフ状態とされる。これにより、共振容量３１１と補正容量３１２の直列接続の容量と共鳴コイル２１１とからなる共振回路は、無線周波数（例えば１３.５６ＭＨｚ）で共振するようにされる。一方、送電の際には、制御回路１０２はスイッチ回路３１３をオン状態として、補正容量３１２をショート状態とする。これにより、送電の際には、共振容量３１１と共鳴コイル２１１とからなる共振回路が、送電の周波数（例えば６.７８ＭＨｚ）で共振するようにされる。
【００４１】
以上の構成とすることにより、無線通信時と送電時で共鳴コイルの共振周波数を切り替えることにより、無線通信周波数と送電周波数が異なる場合であっても、図２Ａで示した第２の実施の形態と同様に、共鳴コイルを無線通信時と送電時の両方で用いることが可能となる。
【００４２】
図４は、上記した第１の実施の形態から第３の実施の形態で用いられる抑制回路、調整回路、共振周波数切り替え回路内のスイッチ回路の回路図である。同図において、４０１は、上記抑制回路（図１を例にすれば、１０６）、調整回路（図１では、１０７）、共振周波数切り替え回路（図３では、３０１）内のスイッチ回路３１３を構成するスイッチ回路である。図４において、４１０、４１１は端子、４１２は制御端子、４１３、４１４は容量、４１５、４１６は電界効果トランジスタ（以下、トランジスタと称することもある）、４１７は接地抵抗、４１８、４１９はバイアス抵抗である。電界効果トランジスタ４１５、４１６のそれぞれのソースは共通接続され、該共通接続点は接地抵抗４１７を介して接地され、電界効果トランジスタ４１５、４１６のそれぞれのドレインは、直列に容量４１３，４１４を介して端子４１０、４１１に接続されている。また、電界効果トランジスタ４１５、４１６のゲートはそれぞれバイアス抵抗４１８、４１９を介して制御端子４１２に接続される。
【００４３】
スイッチ回路４０１は、抑制回路、調整回路および共振周波数切り替え回路のそれぞれに用いられるが、用いられる回路によって抵抗４１７、容量４１３、４１４の働きが異なるので、用いられる回路における働きについて、それぞれ次に述べる。
【００４４】
抑制回路（図１では、１０６）を構成しているスイッチ回路４０１においては、端子４１０は、無線通信アンテナのコイル１１１の一方の端部に接続され、端子４１１は、コイル１１１の他方の端部に接続される。また、制御端子４１２には、制御回路１０２から制御信号が供給され、この制御信号によって、電力を給電する時にはトランジスタ４１５および４１６がオン状態にされ、無線通信時にはトランジスタ４１５および４１６がオフ状態にされる。これにより、スイッチ回路４０１（ここでは、抑制回路）が、オン状態あるいはオフ状態にされる。電界効果トランジスタを直列に接続する構成のスイッチ回路を用いることで、送電時の比較的高い電圧振幅であっても、電界効果トランジスタのドレインとソース間にかかる電圧は直列接続されているので半減されるため、耐圧に強く、しかも比較安価に入手可能であることから、非接触給電システムに用いられる半導体スイッチ回路として適しているといえる。また、容量４１３、４１４により、直流の電圧がトランジスタに印加されるのを防ぐことが可能となり、トランジスタの特性が変わってしまうことを防ぐことが可能となる。抵抗４１７は、伝送信号系のインピーダンスに比べて高抵抗の抵抗が用いられる。これにより、それぞれのトランジスタを動作させるとき、それぞれのソース電位を接地電位に固定させることが可能となる。
【００４５】
調整回路（図１では、１０７）を構成しているスイッチ回路４０１においては、端子４１０は、給電コイル１１３の一方の端部に接続され、端子４１１は、コイル１１３の他方の端部に接続される。また、制御端子４１２には、制御回路１０２から制御信号が供給され、この制御信号によって、電力を給電する時にはトランジスタ４１５および４１６がオフ状態にされ、無線通信時にはトランジスタ４１５および４１６がオン状態にされる。これにより、スイッチ回路４０１（ここでは、調整回路）が、オフ状態あるいはオン状態にされる。無線通信時に調整回路（スイッチ回路）がオン状態にされると、すなわちトランジスタ４１５および４１６がオン状態にされると、給電コイル１１３の端部間に容量４１３、４１４および抵抗４１７を有するＣＲ（容量・抵抗）回路が形成される。無線通信時に、共鳴コイル１１２と共振用容量１１４からなる共振回路の共振周波数に、コイル１１１と上記ＣＲ回路からなる共振周波数が適合する様に、容量４１３、４１４の値或いは／および抵抗４１７の値が設定される。この設定の際には、トランジスタ４１５、４１６のオン抵抗も考慮して、設定される。
【００４６】
共振周波数切り替え回路（図３では、３１０）内の図一致回路３１３を構成しているスイッチ回路４０１においては、端子４１０は、共鳴コイル２１１の一方の端部（容量３１２の端子）に接続され、端子４１１は、共振容量３１１と共振容量３１２との共通接続点に接続される。すなわち、スイッチ回路４０１は、容量３１２と並列接続される。また、制御端子４１２には、制御回路１０２から制御信号が供給され、この制御信号によって、無線通信時にはトランジスタ４１５、４１６はオフ状態にされ、電力を給電する時にはトランジスタ４１５、４１６はオン状態にされる。これにより、スイッチ回路４０１（ここでは、共振周波数切り替え回路）が、オフ状態あるいはオン状態にされる。この様にして、共振周波数切り替え回路３１０内のスイッチ３１３として、スイッチ回路４０１を用いる場合、容量４１３、４１４および抵抗４１７の働きは、抑制回路の容量および抵抗と同じである。スイッチ回路４０１を、スイッチ３１３として用いる場合には、直流電圧が印加される可能性が低いので、上記した容量４１３、４１４については省略しても良く、省略することにより、スイッチの小型化を図ることも可能である。
【００４７】
次に、無線通信時に共鳴コイルが近くに配置されることにより無線通信感度が向上することを確認するための実験結果を図５Ａおよび図５Ｂにより説明する。図５Ａは、送電側は、無線通信アンテナのみで、受電側の無線通信アンテナと対向させた時の無線通信アンテナコイル間の伝送特性を示しており、図５Ｂは、第１の実施の形態で示した無線通信アンテナコイルの内側に共鳴コイルおよび給電コイルを配置した場合の伝送特性を示している。なお、図５において、横軸は周波数を示し、縦軸は通過特性を示している。
【００４８】
なお、実験に用いたアンテナコイルは、無線通信用アンテナコイルは、８ｃｍ×１３ｃｍで４ターン、共鳴コイルは６.５ｃｍ×１１.５ｃｍで８ターン、共振容量は２２ｐＦ、給電コイルは５ｃｍ×９.５ｃｍで１ターンであり、対向させる受電装置側の無線通信用のアンテナコイルは、４ｃｍ×４ｃｍで３ターンである。また、無線通信および送電の周波数は１３.５６ＭＨｚで、無線通信アンテナ間の距離は１ｃｍのときである。
【００４９】
図５Ａと図５Ｂを比較すると無線通信アンテナ間の通過損失は、共鳴コイルのある図５Ｂのほうが８.５ｄＢ程度高く、共鳴コイルにより無線通信アンテナ間の損失を小さくできるので、通信感度の向上が図れることが分かる。
【００５０】
次に、上述の第１から第３の実施の形態の非接触給電システムの受電装置も含めた全体の動作の一例を図６により説明する。図６は、受電側が小型携帯機器などに搭載されることを想定した非接触給電システムである。
【００５１】
図６において、２は受電装置（携帯端末）、６１０は送電アンテナ部である。同図において、非接触充電装置１は、図１Ａで示した第１の実施の形態と同じ構成を有している。なお、図面の複雑化を避けるために、アンテナ部１１０については簡略化して示してある。また、非接触充電装置１については、先に図１を用いて説明しているので、ここでは説明を省略する。
【００５２】
受電装置２は、無線通信アンテナと受電アンテナを共用した共用アンテナコイル６１０、レベル検出回路６１１、切り替え回路６１２、制御回路６１３、無線通信部６１４、受電部６１５より構成されている。この実施の形態においては、これらの各ブロック（共用アンテナコイル６１０、レベル検出回路６１１、切り替え回路６１２、制御回路６１３、無線通信部６１４、受電部６１５）は、１つのＩＣカードに封止して、非接触ＩＣカードとされる。該非接触ＩＣカードは、図示されていないバッテリとともに、携帯端末に搭載され、バッテリにより各ブロックが動作される。また、バッテリは受電部６１５によって、充電される。上記各ブロックは、ＩＣカードに封止せずに、各ブロックとバッテリとによって、無線通信機能と非接触給電機能を搭載した携帯端末としてもよい。次に、非接触給電システムにおいて受電装置２の動作を中心に説明する。
【００５３】
受電装置２の切り替え回路６１２は通常は無線通信部６１４側となっており、送電装置１からの無線通信信号を受信する状態となっている。そして、受電装置２が送電装置１の近くに置かれた場合、送電装置１からの無線通信信号を受信して無線通信を行ない、受電装置２が充電の対象か否かの認証を送電装置１において行い、受電装置２が充電の対象と判断された場合は、送電装置からは送電信号が送電される。このとき、受電装置２のレベル検出回路６１１において、無線信号よりも受電電力の高い送電信号を検出すると制御回路６１３において、切り替え回路６１２を受電部６１５側に切り替えることにより、受電した電力を受電部６１５に入力する。受電部６１５では、受電した電力を整流し充電制御回路を介して受電装置２に搭載されているバッテリ（図示せず）に充電される。同図では示されていないが、携帯端末装置１の各ブロックにはバッテリから電源が供給される。
【００５４】
このとき、受電中は無線通信が不可となるため、送電装置１は受電装置２の充電が完了した等、受電装置の状態把握のため、間欠的に無線通信を行い、受電装置２の状態を把握するような充電制御システムも容易に実現可能である。
【００５５】
また、送電装置１の送電アンテナ部６２０では、実施の形態１から実施の形態３の送電アンテナを用いることで、無線通信エリアおよび充電エリアのより広い非接触給電システムを得ることができる。
【００５６】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、非接触充電装置に関し、例えば非接触ＩＣカードおよびバッテリを搭載した携帯機器に対してデータ通信および電源を供給する非接触充電装置、および携帯機器と非接触充電装置を有する非接触給電システムに広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  送電装置
２  受電装置
１０１、６１４  無線通信部
１０２、６１３  制御回路
１０３  非接触電力送電部
１０４、１０５  整合回路
１０６  抑制回路
１０７  調整回路
１１０、２１０、６２０  送電アンテナ部
１１１、２１３  無線通信アンテナコイル
１１２、２１１  共鳴コイル
１１３、２１２  給電コイル
１１４、２１４、３１１  共振容量
３１０  共振容量切り替え回路
３１２  補正容量
３１３  スイッチ回路
６１０  共用アンテナコイル
６１１  レベル検出回路
６１２  切り替え回路
６１５  受電部
【図１Ａ】
2014038265.tif 000003
【図１Ｂ】
2014038265.tif 000004
【図１Ｃ】
2014038265.tif 000005
【図２Ａ】
2014038265.tif 000006
【図２Ｂ】
2014038265.tif 000007
【図２Ｃ】
2014038265.tif 000008
【図３】
2014038265.tif 000009
【図４】
2014038265.tif 000010
【図５Ａ】
2014038265.tif 000011
【図５Ｂ】
2014038265.tif 000012
【図６】
2014038265.tif 000013
【図７】
2014038265.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月27日(2015.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的結合により電力を送電する非接触充電装置と上記非接触充電装置からの電力を非接触で受電する携帯端末装置とを有し、上記非接触充電装置と上記携帯端末装置のそれぞれは、相互間で通信を行う無線通信部を有し、上記携帯端末装置は、上記非接触充電装置により充電されるバッテリを有する非接触給電システムであって、
上記非接触充電装置は、
無線通信に用いる無線通信用アンテナコイルと、
給電コイルと共鳴コイルとを有し、送電の際に、上記給電コイルから上記共鳴コイルに電力を給電し、上記共鳴コイルから上記携帯端末装置に送電を行う電力送電用アンテナコイルと、
上記給電コイルに接続され、無線通信の際に感度を調整する調整回路とを具備し、
上記共鳴コイルに接続された可変容量回路を有し、共鳴コイルと可変容量回路とによる共振周波数が、無線通信の際と送電の際とで変更される非接触給電システム。
【請求項２】
上記無線通信用アンテナコイルに接続された抑制回路を有し、電力を送電する際に、送電信号が無線通信部への漏れこむのを抑制する請求項１の非接触給電システム。
【請求項３】
上記調整回路のオン／オフ動作に半導体スイッチを用いる請求項１または請求項２の非接触給電システム。
【請求項４】
上記抑制回路のオン／オフ動作に半導体スイッチを用いる請求項２の非接触給電システム。
【請求項５】
上記無線通信用アンテナコイルの内側に上記共鳴コイルを配置した請求項１から４のいずれかの非接触給電システム。
【請求項６】
携帯端末装置との間でデータ伝送および上記携帯端末装置へ電力の供給を行う非接触充電装置であって、
データ伝送を行う無線通信部と、
上記無線通信部に結合され、上記データ伝送に用いられる無線通信用アンテナコイルと、
給電コイルと、
共鳴コイルと、
上記無線通信用アンテナコイルに接続され、上記携帯端末装置へ電力を供給する際に、上記無線通信用アンテナコイルから信号が上記無線通信部へ伝達するのを抑制する抑制回路と、
上記給電コイルに結合され、上記データ伝送時に、通信感度を制御する調整回路とを有し、
上記共鳴コイルは、データ伝送時には、転送すべきデータに従った磁束を形成し、電力を送電する時には、送電すべき電力に従った磁束を形成し、
上記共鳴コイルに接続された可変容量回路を有し、共鳴コイルと可変容量回路とによる共振周波数が、無線通信の際と送電の際とで変更される非接触充電装置。
【請求項７】
上記共鳴コイルと上記無線通信用アンテナコイルは、一平面に形成され、上記共鳴コイルは、上記無線通信用アンテナコイルの内側に配置されている請求項６の非接触充電装置。
【請求項８】
上記共鳴コイルと上記無線通信用アンテナコイルは、一平面に形成され、上記無線通信用アンテナコイルは、上記共鳴コイルの内側に配置されている請求項６の非接触充電装置。
【国際調査報告】
2014038265.tif 000015
2014038265.tif 000016