(57)【要約】【課題】最小限のセンサ数で発熱を回避でき、しかも効率よく充電することが可能なワイヤレス充電システムを提供する。【解決手段】ワイヤレスで電力を送電する送電装置を含む１次側機器２０と、記送電装置からワイヤレスで送電された電力を受電する受電装置を含む２次側機器３０と、を有し、２次側機器２０が、送電装置および受電装置間に電力伝送経路に異常があることを検出するセンサ３１６を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレスで電力を送電する送電装置を含む１次側機器と、
上記送電装置からワイヤレスで送電された電力を受電する受電装置を含む２次側機器と、を有し、
上記２次側機器が、
上記送電装置および受電装置間に電力伝送経路に異常があることを検出するセンサを含む
ワイヤレス充電システム。
【請求項２】
上記１次側機器と上記２次側機器は、
上記２次側機のセンサでの検知結果に基づき、上記送電装置と受電装置間の電力の送受を抑止する制御部を有する
請求項１記載のワイヤレス充電システム。
【請求項３】
上記１次側機器は、
受電装置を有する複数の２次側機器に、電力を同時もしくは順次供給するように制御する制御部を有する
請求項２記載のワイヤレス充電システム。
【請求項４】
上記１次側機器は、
上記２次側機器のセンサで送受電に関係する異常が検知された場合、異常を検知した２次側機器への電力供給を停止させて別の２次側機器へ電力を供給する機能と、受電可能な２次側機器が無い場合には送電自体を停止させる機能とを含む制御部を有する
請求項３記載のワイヤレス充電システム。
【請求項５】
上記２次側機器は、
上記センサで送受電に関係する異常を検知した場合、２次側機器で電力を受電できないように制御する制御部を有する
請求項４記載のワイヤレス充電システム。
【請求項６】
上記２次側機器の制御部は、
無線通信または負荷変調によって当該２次側機器へのワイヤレス充電の状態が正常か異常かを上記１次側機器へ知らせるための機能を有する
請求項５記載のワイヤレス充電システム。
【請求項７】
上記１次側機器の制御部は、
上記無線通信もしくは負荷変調によって、２次側機器への非接触充電の状態が正常か異常かを把握するための機能を有する
請求項６記載のワイヤレス充電システム。
【請求項８】
上記センサは、
受電装置を形成しているコイルと同一面かつ内部に配置されている
請求項１から７のいずれか一に記載のワイヤレス充電システム。
【請求項９】
２次側機器に加えて１次側機器に、上記送電装置および受電装置間に電力伝送経路に異常があることを検出するセンサが配置されている
請求項１から８のいずれか一に記載のワイヤレス充電システム。
【請求項１０】
上記センサは、
送電装置と受電装置間の温度もしくは温度上昇率を検出するための温度センサ、または送電装置と受電装置間における異物の有無を探知するための探知センサである
請求項１から９のいずれか一に記載のワイヤレス充電システム。
【請求項１１】
上記温度センサは、
接触型または非接触型である
請求項１０記載のワイヤレス充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電池(バッテリ)を含む携帯電話等の電子機器に非接触（ワイヤレス）で電力の供給を行うことが可能な非接触給電方式のワイヤレス充電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレス（無線）で電力の供給を行う方式として電磁誘導方式が知られている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。
【０００３】
現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先（受電側）とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。
【０００４】
一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。
この磁界共鳴型を用いたワイヤレス給電システムは、軸合わせが不要で、給電距離を長くすることが可能である。
【０００５】
ところで、近年小型のポータブル電子機器を持ち運ぶことが増えている。これらの携帯機器（ポータブル機器）は２次電池を内蔵しており、定期的に充電して使用するものが一般的である。
【０００６】
上述した電磁誘導などで送電装置から受電装置へ電力を供給するワイヤレス電力伝送では、コインや鍵のような「うず電流」を発生する異物が電力伝送中の送受電装置間に配置された場合、電力の損失が生じるだけでなく異物そのものが熱くなる等の状態になりうる。
そのため、送電装置に温度センサを加えて温度を検出し、上記異物の発熱対策を行うことが検討されている。
【０００７】
たとえば、特許文献１には、被充電器の温度上昇を抑えながらも、充電を極力短時間で行い、また充電部に金属異物が置かれた場合の異常な温度上昇を防止することを目的とした非接触式充電装置が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、非接触型の充電器の最適な位置に設けた温度検知素子により、載置物の異常温度上昇が検出された際に即座に充電を停止制御して安全性の向上を図ることを目的とした非接触式充電装置が開示されている。
【０００９】
これらはその構成上、あくまで送電装置と受電装置が「１：１」と想定した場合の対策方法と言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１５３４５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１７２８７４号公報
【特許文献３】特開２００９−２６８３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、近年、「１：１」ではなく「１：複数」の非接触充電に対する要望が高まっている。
その場合、送電装置を内蔵した１次側機器には、受電装置を内蔵した２次側機器を複数配置でき、なおかつ各々に対して電力を供給できるような構成が必要と想像される。
このような構成の１次側機器上に温度センサを配置することを想定すると、異物のサイズや置かれる位置を全て把握しなければならないことから、無数の温度センサが必要となる。
これはコストに大きく影響を及ぼすため、実現性は非常に低いと考えられる。
また、送受電装置間に分布する磁力線が無数に配置された温度センサによって乱されることも予想されるので、送受電装置間の効率（給電効率）が劣化する可能性も高いと考えられる。
【００１２】
上述したように、ワイヤレス充電中、１次側機器に内蔵する送電装置と２次側機器に内蔵する受電装置間の空間にコインや鍵のような異物（金属）が配置された場合、送受電装置間に分布する強い磁界にさらされるため異物には渦電流が生じる。
しかし、上記した各技術では、異物が温度上昇することによる発熱を防止することができるが、センサ数が多く、コスト高となり、また給電効率も劣化する可能性がある。
【００１３】
本発明の目的は、最小限のセンサ数で発熱を回避でき、しかも効率よく充電することが可能なワイヤレス充電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の観点のワイヤレス充電システムは、ワイヤレスで電力を送電する送電装置を含む１次側機器と、上記送電装置からワイヤレスで送電された電力を受電する受電装置を含む２次側機器と、を有し、上記２次側機器が、上記送電装置および受電装置間に電力伝送経路に異常があることを検出するセンサを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、最小限のセンサ数で発熱を回避でき、しかも効率よく充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの全体の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの異物検出系を含む基本的な構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す一例の図である。
【図４】２次側機器にセンサが配置されている構成を模式的に示す図である。
【図５】２次側機器の受電装置と受電用コイルとセンサとの配置例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの異物検出系を含む他の構成例を示すブロック図である。
【図７】渦電流を発生させる異物の混入例を示す図である。
【図８】送受電装置の送受電部の基本的な共振回路系を示す一例の図である。
【図９】受電側の共振周波数を変更して２次側機器へのワイヤレス充電を停止させる例を示す図である。
【図１０】受電側の共振回路系を開放して２次側機器へのワイヤレス充電を停止させる例を示す図である。
【図１１】受電側インピーダンスを変更して２次側機器へのワイヤレス充電を停止させる例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．ワイヤレス充電システムの基本構成
２．送電装置の構成例
３．受電装置の構成例
４．受電装置の他の構成例
５．２次側機器で電力を受電できないようにする構成例
【００１８】
＜１．ワイヤレス充電システムの基本構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの全体の構成例を示す図である。
図２は、本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの基本的な構成例を示すブロック図である。
図３は、本発明の実施形態に係るワイヤレス充電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す一例の図である。
【００１９】
本ワイヤレス充電システム１０は、表示機能および無線通信機能を含むワイヤレス充電装置としての１次側機器２０およびワイヤレス受電装置を含む１または複数の電子機器（ポータブル機器）である２次側機器３０を有する。
【００２０】
本実施形態においては、コイルなどによって構成された図２に示すような送電装置２１を内蔵する１次側機器２０は、具体的には図１に示すようにトレー（＝マット）のような構造をしている。
また、図１に示すように、１次側機器２０に載せてワイヤレス（非接触）充電を行うＣＥ機器などを２次側機器３０と呼び、２次側機器はコイルなどで構成された図２に示すような受電装置３１を内蔵している。
そして、１次側機器２０は、２次側機器３０を複数載せることができ、電力を複数の２次側機器へ同時もしくは順次供給できるように構成される。
【００２１】
複数の受電装置に対して順次非接触充電を行う手段の一つとして、時分割による方法を採用することが可能である。
特許文献３には、複数の受電装置に対して順次非接触充電を行う手段の一つとして、時分割による方法が開示されている。
この場合、送電装置２１は、１または２以上の受電装置をいずれかの分割期間に割り当て、割り当て結果に基づいて、１または２以上の受電装置に対して、分割期間ごとに選択的に電力を送信させる。
【００２２】
＜２．送電装置２１の構成例＞
送電装置２１は、図２に示すように、送電部２１１、反射検出部２１２、電力発生器および変調回路２１３、送信部２１４、および制御部２１５を含む。
送電装置２１は、ＡＣ電源２２によるＡＣ電力を、ＡＣアダプタ２３を介してＤＣ電力として供給される。
【００２３】
送電部２１１は、図３に示すように、共鳴素子としての共鳴コイル２１１２を有する。共鳴コイルは共振コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共鳴コイルと呼ぶこととする。なお、送電部２１１は、給電素子としての給電コイル２１１１を有している可能性がある。一方、周波数補正やインピーダンス整合を目的としたキャパシタやインダクタなどを送電部２１１が有している可能性もある。
【００２４】
給電コイル２１１１は、交流電流が給電されるたとえば空心コイルにより形成される。
共鳴コイル２１１２は、給電コイル２１１１と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、受電装置３１の共鳴コイル３１１２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。
【００２５】
反射検出部２１２は、電力伝送における通過および反射電力を検出する機能を有し、検出結果を制御部２１５に供給する。
反射検出部２１２は、電力発生器で発生された高周波電力を送電部２１１側に供給する。
【００２６】
電力発生器および変調回路２１３は、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力を発生する。
電力発生器および変調回路２１３で発生された高周波電力は、反射検出部２１２を通して送電部２１１に供給される。
電力発生器および変調回路２１３は、送信部２１４を通して無線で送信する情報を変調する機能を有する。
【００２７】
送信部２１４は、受電装置３０側と無線通信により制御情報や通過反射電力の検出結果情報の授受が可能である。ただし、後述するような負荷変調を用いる場合、送信部２１４は、2次側の情報を受信する機能を持たせない構成にも変更可能である。
無線通信としては、たとえばブルートゥースやＲＦＩＤ等を採用可能である。
【００２８】
制御部２１５は、反射検出部２１２の検出結果を受けて、図示しないインピーダンス整合機能により高効率な電力伝送が可能なように制御する。
換言すれば、制御部２１５は、共鳴コイル２１１２が受電装置３１の共鳴コイル３１１２と自己共振周波数がほぼ一致し、磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送するように制御する。
制御部２１５は、反射検出部２１２の検出結果を受けて、その状態からたとえば受電装置３１側で負荷変調等がかけられて、１次側機器２０と２次側機器３０間に異常、たとえば温度上昇や異物があることが報知されていることを認識する。そして、制御部２１５は、その２次側機器３０への電力伝送を停止するように制御する。
制御部２１５は、この場合、別の２次側機器３０に送電するように制御し、また、受電可能な２次側機器がない場合には、送電自体を停止させるように制御することも可能である。
【００２９】
＜３．受電装置の構成例＞
受電装置３１は、受電部３１１、整流回路３１２、電圧安定化回路３１３、受信部３１４、受電レベル検出部３１５、センサ部３１６、制御部３１７、負荷変調回路３１８、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２を含んで構成されている。
この受電装置３１は、携帯電話等の負荷である充電池（２次電池）３２に接続されている。
【００３０】
受電部３１１は、共鳴素子としての共振（共鳴）コイル３１１２を有する。なお、受電部３１１は、給電素子としての給電コイル３１１１を有している可能性がある。一方、周波数補正やインピーダンス整合を目的としたキャパシタやインダクタなどを受電部３１１が有している可能性もある。
【００３１】
給電コイル３１１１は、共鳴コイル３１１２から電磁誘導によって交流電流が給電される。
共鳴コイル３１１２は、給電コイル３１１１と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、送電装置２１の送電部２１１の共鳴コイル２１１２と自己共振周波数がほぼ一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受信する。
【００３２】
整流回路３１２は、受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力として電圧安定化回路３１３に供給する。
【００３３】
電圧安定化回路３１３は、整流回路３１２により供給されるＤＣ電力を、供給先である電子機器の仕様に応じたＤＣ電圧に変換して、その安定化したＤＣ電圧を充電池（負荷）３２に供給する。
【００３４】
受信部３１４は、送電装置２１の送信部２１４から無線で送信された制御情報や通過反射電力の検出結果情報を受信し、制御部３１７に供給する。
【００３５】
受電レベル検出部３１５は、スイッチＳＷ１を介して選択的に接続される電圧安定化回路３１３の出力電圧を受けて、受電レベルとして制御部３１７に供給する。
【００３６】
センサ部３１６は、図４に示すように、２次側機器３０に搭載され、送電装置２１および受電装置３１間に電力伝送経路に異常があることを検出するセンサである。
センサ部３１６としては、温度もしくは温度上昇率を検出するための温度センサ、もしくは送受電装置間における金属（異物）の有無を探知するための金属探知センサが搭載される。
さらに、温度センサもしくは金属探知センサ等のセンサ部３１６は、図５に示すように、受電装置３１を構成しているコイルと同一面かつ内部に配置されている。
【００３７】
制御部３１７は、２次側機器の温度センサで検出した温度もしくは温度上昇率がある閾値以上になった場合、もしくは金属探知センサが送受電装置間に金属（異物）があることを探知した場合、その２次側機器で電力を受電できないように制御する。
たとえば、負荷変調回路３１８を制御して負荷変調をかけて電力状態を制御し、送電装置２１の反射検出部２１２で検出されることにより異物が検出されてことを送電装置２１側が知ることができるように制御する。
【００３８】
＜４．受電装置の他の構成例＞
なお、図６に示すように、受信部３１４を通信部３１９にして、制御部３１７の制御の無線通信により送電装置２１側に異常の検出を報知するように構成することも可能である。
この場合、負荷変調回路は不要である。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態においては、２次側機器３０には送受電装置間の温度もしくは温度上昇率を検出するための温度センサ、もしくは送受電装置間における金属（異物）の有無を探知するための金属探知センサが搭載されている。この場合、温度センサもしくは金属探知センサ等のセンサ部３１６は、受電装置３１を構成しているコイルと同一面かつ内部に配置されている。
ワイヤレス（非接触）充電中、１次側機器２０に内蔵する送電装置２１と２次側機器３０に内蔵する受電装置３１間の空間に、図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、コインや鍵のような異物（金属）４０が配置された場合、次のようになるおそれがある。
すなわち、送受電装置間に分布する強い磁界にさらされるため異物４０には渦電流が生じる。その結果、異物４０は温度上昇することとなり、何も対策をしなければ発熱し続けるおそれがある。
【００４０】
そこで、本実施形態において、２次側機器３０には、通信もしくは負荷変調などの手段によって、その２次側機器への非接触充電の状態（正常か異常か）を１次側機器へ知らせるための機能を搭載させる。
そして、ある２次側機器３０の温度センサで検出した温度もしくは温度上昇率がある閾値以上になった場合、もしくは金属探知センサが送受電装置間に金属（異物）４０があることを探知した場合、その２次側機器３０で電力を受電できないようにする。
一方、１次側機器２０は通信もしくは負荷変調などの手段によって、２次側機器３０へのワイヤレス充電の状態（正常か異常か）を把握するための機能を有する。
そして、ある２次側機器３０へのワイヤレス充電が正常でない場合には、その２次側機器３０への電力供給を停止させて別の２次側機器３０へ電力を供給する機能と、受電可能な２次側機器が無い場合には送電自体を停止させる機能を有する。
その結果、送受電装置間に異物４０が入り込んだ場合に生じる発熱を対策できる。
１次側機器２０上で送受電装置間以外の空間に異物５０が配置された場合（図７）、その空間で分布する磁界は送受電装置間に比べると非常に弱いため、異物４０の温度上昇は微かなものとなる。そのため、上記配置の場合には異物が発熱する可能性は低いと思われる。
【００４１】
なお、温度センサは、異物の温度を接触して計測するサーミスタや熱電対や高分子感温体のような接触型のものに加え、２次側機器の様々な形状により異物に直接接触していない場合でも計測可能な、赤外線などを用いた非接触型のものの使用も可能である。
また、１台の２次側機器３０に搭載させる温度センサもしくは金属探知センサは、１つだけではなく複数の可能性もあり、温度センサと金属探知センサの両方を搭載させることも可能である。
さらに、２次側機器３０に加えて１次側機器２０にも温度センサもしくは金属探知センサを搭載させることも可能である。
【００４２】
上述した実施形態は、複数の受電装置に対して時分割で非接触充電を行う場合の、異物検出システム構成例を図２または図６に示している。
上述したように、図２は負荷変調を利用した場合の異物検出システムの例であり、図６は通信を利用した場合の異物検出システムの例である。
【００４３】
図２の例では、受電側の負荷変調によって現れる、送電側の反射検出部２１２の変化を読み取ることで、受電装置３１側からの通信なしに受電装置３１の状態を送電装置２１側で把握することができる。
ここで、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２は、たとえば、導電型が互いに異なるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などで構成することができるが、上記に限られない。
【００４４】
＜５．２次側機器で電力を受電できないようにする構成例＞
本実施形態において、上述した「２次側機器で電力を受電できないようにする機能」は図２や図６中のスイッチＳＷ２の切り替えにより実現できる。
その例を、図８、図９、図１０、図１１の概略図を用いて説明する。
【００４５】
図８は、送受電装置の送受電部の構成例を示している。
図８においては、送電部２１１は、送電コイルである共鳴コイル２１１２と、コイルに直列に接続させた共振用キャパシタＣ２１によって構成されていて、ある周波数で直列共振が可能な構成となっている。
一方、受電部３１１は受電コイルである共鳴コイル３１１２と、コイルに並列に接続させた共振用キャパシタＣ３１によって構成されていて、送電部２１１と同じ、もしくは近い周波数での並列共振が可能な構成となっている。なお、上述したような構成例を用いて以下説明を行うが、必ずしも送電部が直列共振、受電部が並列共振である構成の必要はない。送電側が並列共振で構成される可能性も、受電側が直列共振で構成される可能性もありうる。
また、送電側インピーダンスと受電側インピーダンスは、それぞれ前段部もしくは後段部とある程度以上インピーダンス整合が取れているものとする。このような構成の場合、効率的なワイヤレス（非接触）充電が可能となる。
【００４６】
そのため、図９の共振用キャパシタＣ３２のように十分な静電容量のあるものをスイッチＳＷ２によって繋げることなどによって追加する場合、受電側の共振周波数が大きく変化するので、ワイヤレス（非接触）充電を停止させることができる。もしくは、共振用キャパシタＣ３１が複数個のキャパシタで構成されている場合には、そのキャパシタのうちの一部が機能しなくなるようにスイッチングＳＷ２を切り替えれば、やはり受電側の共振周波数が大きく変化するので、ワイヤレス（非接触）充電を停止させることができる。
【００４７】
また、図１０に示すように、受電部３１１の共振箇所が開放するようにスイッチングすることでも、受電部３１１において共振が生じなくなるため非接触充電を停止させることができる。
【００４８】
さらに、図１１に示すように、受電部３１１へ余分な抵抗Ｒ３１が加わるようにスイッチングすることでも、受電側インピーダンスが変化して整合条件を満足できなくなるためワイヤレス（非接触）充電を停止させることができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
一般に、単一の１次側機器から複数の２次側機器への非接触充電では、１次側機器に温度センサを配置することで送電装置と受電装置間での発熱を対策する場合、無数の温度センサが必要になるためコストが非常に高くなると考えられる。また、給電効率が劣化する可能性も高い。
本発明に実施形態では、１次側機器ではなく、複数の２次側機器３０にのみ必要な数量の温度センサ等のセンサを配置するため、最小限の数量で上記発熱を回避できる。
そのため、従来技術とくらべ、コストを大幅に抑えることが可能で、給電効率の低下を抑止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・ワイヤレス充電システム、２０・・・１次側機器（ワイヤレス充電装置：充電装置）、２１・・・送電装置、２１１・・・送電部、２１２・・・反射検出部、２１３・・・電力発生器および変調回路、送信部２１４、２１５・・・制御部、２２・・・ＡＣ電源、２３・・・ＡＣアダプタ、３０・・・２次側機器（電子機器）、３１・・・受電装置、３１１・・・充電部、３１２・・・整流回路、３１３・・・電圧安定化回路、３１４・・・受信部、３１５・・・受電レベル検出部、３１６・・・センサ部、３１７・・・制御部、３１８・・・負荷変調回路、３１９・・・通信部、３２・・・充電池(負荷)。
【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】
2012044735.tif 000008
【図７】
2012044735.tif 000009
【図８】
2012044735.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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