(57)【要約】【課題】利便性を損なわず、待機電力を大幅に低減することができるワイヤレス電力伝送装置を提供する。【解決手段】送電器１０から受電器２０に対して非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送装置であって、送電器１０は、電力伝送が可能な範囲における受電器２０の有無または位置の少なくともいずれかを検出する検出手段１３と、検出手段１３を制御する制御回路１４と、振動を検出する振動センサ１５を備え、振動センサ１５が振動を検出した場合に、制御回路１４を起動することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電器から受電器に対して非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送装置であって、
該送電器は、電力伝送が可能な範囲における該受電器の有無または位置の少なくともいずれかを検出する検出手段と、該検出手段を制御する制御回路と、振動を検出する振動センサを備え、
該振動センサが振動を検出した場合に、該制御回路を起動することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
【請求項２】
前記制御回路が起動してから所定時間内に前記受電器の有無または位置の少なくともいずれかが検出できない場合に、前記制御回路の動作を停止する請求項１に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【請求項３】
前記振動センサの出力を増幅する増幅回路をさらに備え、該増幅回路は前記振動センサから供給される交流信号のみを増幅するとともに、該増幅回路の出力信号に基づいて前記制御回路を起動する請求項１または２に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【請求項４】
前記振動センサは圧電ブザーであり、
該圧電ブザーは前記受電器の状態情報を報知する請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤレス電力伝送装置。
【請求項５】
前記圧電ブザーと前記制御回路の間にバッファ回路を設けた請求項４に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はワイヤレス電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器向けの電磁誘導型ワイヤレス電力伝送装置が普及してきている。送電器に内蔵される送電コイルから発生する交流磁界により、電子機器などの受電器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。受電コイルに伝送された電力は、整流回路を介して二次電池などの負荷に供給される。送電器の表面に受電器を置くだけで受電器内の二次電池を充電することができるため、電源コネクタを抜き差しする必要がなく、優れた利便性や、防水、防塵などのメリットがある。
【０００３】
このようなワイヤレス電力伝送装置において、常に送電コイルから交流磁界を発生させてしまうと、送電器の表面に受電器が置かれていない場合にも電力を多分に消費してしまう。そのため、送電コイルに対して間欠的に電力を送りながら受電器の有無を常にチェックする待機モードを設け、待機電力を低減するのが一般的に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７８１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、携帯機器への充電など、一般用途に用いられるワイヤレス電力伝送装置では、待機モードにおける待機時間が充電動作時間より長くなる。そのため、電力伝送効率や充電効率がいくら高くても、待機電力が大きくなると、全体的な電力効率が下がってしまう。例えば、５Ｗクラスのワイヤレス電力伝送装置では、約０．６Ｗの待機電力が消費されてしまう。このように待機モード時の消費電力が要因となり、ワイヤレス電力伝送装置では従来のコード型充電装置と比較して、待機電力が増大してしまう。
【０００６】
当然ながら、ワイヤレス電力伝送装置に電源スイッチを設け、充電の時だけ手動で電源をオンにすれば、待機電力を無くすことができる。しかし、それではワイヤレス電力伝送装置の主なメリットとされる利便性が損なわれてしまう。よって、ワイヤレス電力伝送装置の利便性と消費電力の低減を両立するのが困難であった。
【０００７】
本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、利便性を損なわず、待機電力を大幅に低減することができるワイヤレス電力伝送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】
【０００８】
本発明はこのような目的を達成するため、送電器から受電器に対して非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送装置であって、該送電器は、電力伝送が可能な範囲における該受電器の有無または位置の少なくともいずれかを検出する検出手段と、該検出手段を制御する制御回路と、振動を検出する振動センサを備え、該振動センサが振動を検出した場合に、該制御回路を起動することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のワイヤレス電力伝送装置は、利便性を確保しつつ、待機電力を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のワイヤレス電力伝送装置のブロック図
【図２】本発明のワイヤレス電力伝送装置における圧電振動センサの構造と実装例
【図３】本発明のワイヤレス電力伝送装置のフローチャート
【図４】本発明のワイヤレス電力伝送装置の変形例のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明のワイヤレス電力伝送装置のブロック図である。送電器１０は、送電コイル１１、駆動回路１２、検出手段１３、制御回路１４、圧電振動センサ１５、増幅回路１６を備える。受電器２０は、受電コイル２１を備える。
【００１３】
まず、送電器１０の構成について説明する。送電コイル１１には、駆動回路１２から交流電力が供給される。検出手段１３は、送電器１０から電力伝送が可能な範囲における受電器２０の有無または送電器１０に対する受電器２０の位置の少なくともいずれかを検出するものである。駆動回路１２および検出手段１３の動作は、制御回路１４により制御される。一例として、制御回路１４はマイコンなどにより構成される。圧電振動センサ１５の両端には負荷抵抗Ｒ３が接続されている。圧電振動センサ１５の出力信号は増幅回路１６により増幅され、制御回路１４に供給されている。
【００１４】
次に、増幅回路１６の構成について説明する。増幅回路１６は、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ１、オペアンプＯＰ１を備える。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、圧電振動センサ１５の出力信号が供給されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子は、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１を介して接地されている。また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と出力端子間には、帰還抵抗Ｒ２が接続されている。オペアンプＯＰ１から出力される信号は、制御回路１４に供給される。
【００１５】
次に、受電器２０の構成について説明する。受電コイル２１は、電磁誘導作用により送電コイル１１から電力を受電する。図示していないが、受電コイル２１に印加される電圧は整流回路により整流され、二次電池などの負荷に供給される。
【００１６】
ここで、本発明のワイヤレス電力伝送装置における圧電振動センサ１５の構造と実装例を図２に示す。図２は、送電器１０の内部構造を示している。圧電振動センサ１５は、短柵状の金属板３１と圧電材３２から構成される。圧電振動センサ１５は、短柵状の金属板３１の片面に圧電材３２として圧電セラミックを貼り付けたユニーモルフ型である。圧電振動センサ１５の片端は、固定部材３３によりプリント基板３４に固定され、カンチレバー構造になっている。圧電振動センサ１５の平面とプリント基板３４の平面は平行する方向に配置される。プリント基板３４の平面は、受電器２０が配置される送電器１０の表面と、略平行になるよう配置される。なお、送電器１０の表面は、受電器２０を載置できるよう平面状に形成されている。
【００１７】
送電器１０の表面に受電器２０を載置するときには、主に送電器１０の表面と垂直な方向に振動が発生する。送電器１０の表面と垂直する方向において僅かな振動が発生すると、圧電材３２の厚み方向にたわみ振動が生じる。よって、圧電効果によりカンチレバーの固有振動周波数の交流電圧信号が圧電振動センサ１５から出力される。受電器２０を載置したときに主に振動が生じる方向、つまり送電器１０の表面に垂直な方向と、金属板３１の垂直方向を略一致させることで、受電器２０を載置するときの振動を効率よく検出できる。また、カンチレバー構造にすることで、低周波振動において高い感度を持つことができる。
【００１８】
なお、圧電振動センサ１５は、短柵状の金属板３１の両面に圧電材３２として圧電セラミックを貼り付けたバイモルフ型にしてもよい。また、カンチレバー構造ではなく、振動を検出できるのであれば、他の構造にしてもよい。
【００１９】
このように、圧電振動センサ１５は送電器１０に加わる振動を検出するものである。微小な振動も検出するために、圧電振動センサ１５から発生した微弱な電圧信号をオペアンプＯＰ１により増幅している。圧電振動センサ１５の負荷抵抗であるＲ３は、圧電振動センサ１５の出力信号を低下させないように、１ＭΩ程度が適当である。
【００２０】
また、圧電振動センサ１５が大きな静電容量を持っている場合、オペアンプＯＰ１の入力端に直流バイアスが生じてしまう。そのため、この直流成分がオペアンプＯＰ１によって増幅されるのを抑制する必要がある。
【００２１】
ここで、抵抗Ｒ１の抵抗値をｒ１、抵抗Ｒ２の抵抗値をｒ２、コンデンサＣ１のインピーダンスをＸｃ１とする。すると、オペアンプＯＰ１の増幅率Ａは、Ａ＝ｒ２/(ｒ１＋Ｘｃ１) ＋１となる。したがって、十分な容量値を持つコンデンサＣ１を使えば、直流成分に対してＸｃ１が∞となるので、増幅率Ａ＝１となる。一方、交流信号に対しては、ｒ１＋Ｘｃ１≒ｒ１となるので、増幅率Ａ≒ｒ２/ｒ１＋１となる。つまり、直流成分は増幅されず、圧電振動センサ１５が検出した交流信号のみを増幅することができる。抵抗Ｒ１と直列に接続したコンデンサＣ１によって、オペアンプＯＰ１に供給される直流成分が増幅されるのを抑制し、圧電振動センサ１５の検出感度を向上させることができる。
【００２２】
このように、送電器１０の表面に受電器２０を載置したときに生じる振動を圧電振動センサ１５で検出する。得られた検出信号は、増幅回路１６を介して制御回路１４に供給される。制御回路１４は、圧電振動センサ１５の振動検出信号に応じて、検出手段１３および駆動回路１２の動作を制御する。
【００２３】
ここで、本発明のワイヤレス電力伝送装置のフローチャートを図３に示す。図３に示すフローチャートを参考に、送電器１０の動作フローについて説明する。以下、制御回路１４を内蔵したマイコンを用いることとする。
【００２４】
まず、電源が供給されると、送電器１０のマイコンがスリープ状態になる。スリープ状態では、システムクロックが止まるので、ほとんどの機能が停止し、消費電力が極端に少なくなる。このとき、検出手段１３および駆動回路１２の動作も停止した状態となる。（ステップＳ１）。
次に、圧電振動センサ１５が振動を検出するか否かを判断する。圧電振動センサ１５が振動を検出しない場合、上述した最初のステップＳ１へ戻り、マイコンはスリープ状態を継続する（ステップＳ２）。
圧電振動センサ１５が振動を検出すると、マイコンの割込み機能を利用して、マイコンをスリープ状態から起動させる（ステップＳ３）。
そして、送電器１０から電力伝送が可能な範囲における受電器２０の有無や位置の検出を行う受電器検出モードに移行する。以下、検出手段１３および駆動回路１２の動作について説明する。まず、マイコンは駆動回路１２を制御して送電コイル１１に間欠的に電力を送る。そして、検出手段１３は、受電器２０の接近による送電コイル１１に流れる電流の変化や、検出コイルにより受電コイル２１から反射した高周波電磁エコー信号などを検出する。これらの検出結果に基づき、受電器２０の有無や位置を特定する。ここで、圧電振動センサ１５は受電器２０が置かれたときの振動のほか、送電器１０の場所を動かしたときなどの環境振動についても検知してしまう。そのため、圧電振動センサ１５が振動を検出しても、必ずしも送電器１０の近傍に受電器２０があるとは限らない。そのため、受電器２０の有無や位置を確認する期間にタイムリミットを設ける。もし、タイムリミット以内に受電器２０が検出されなかった場合、圧電振動センサ１５の出力は環境振動によるものと見なされ、上述した最初のステップＳ１へ戻り、マイコンが再びスリープ状態となる（ステップＳ４）。
受電器２０の有無とその位置が確実に検出された場合、送電コイル１１と受電コイル２１の位置合わせが行われる（ステップＳ５）。
送電コイル１１と受電コイル２１の位置合わせが完了すると、次のＩＤ認証や充電モードに移る（ステップＳ６）。
充電動作が完了した後は、上述した最初のステップＳ１へ戻り、マイコンが再びスリープ状態となる（ステップＳ７）。
【００２５】
以上説明したように、圧電振動センサ１５は受電器２０の検出に対しての補助的な役割を担っている。圧電振動センサ１５によって振動が検出されると、送電器１０の表面に受電器２０が存在する可能性があると判断し、マイコンを起動する。そして、送電器１０から間欠的に送電を開始し、受電器２０の有無とその位置を確実に確認する。
【００２６】
従来のワイヤレス電力伝送装置の待機モードにおいては、常に送電器からの間欠送電を継続しなければばらないので、待機電力を抑えるために、間欠送電のオン期間の割合を極力に短くする必要があった。それに対し、本実施形態において、送電器１０からの間欠送電される期間は、振動検出後の所定時間内に限り行われる。そのため、間欠送電のオン期間の割合を長くしても消費電力を抑えることができるとともに、受電器２０を検出する方法の選択肢が増え、設計の柔軟性を高めることができる。
【００２７】
例えば、ワイヤレス電力伝送の業界規格によれば、受電器２０が送電器１０から約１００ｍｓの間に連続的に電力を確実に受けた場合、受電器２０の整流電圧もしくは電力のデータ（一般的に信号強度と呼ぶ）を送電器１０へ知らせなければならない。それに基づいて、送電コイル１１の近傍に受電コイル２１があるかどうか、または、位置合わせが適切かを判断することが可能である。
【００２８】
具体的に、圧電振動センサ１５により振動を検出したら、マイコンがスリープ状態から起動する。そして、送電器１０から１００ｍｓオン／２００ｍｓオフの間欠電力を送りながら、送電コイル１１の近傍に受電コイル２１が接近しているかを確認する。いったん送電器１０が受電器２０から信号強度を受信すると、送電コイル１１の近傍に受電コイル２１が接近していることが分かる。さらに、信号強度がある閾値以上になると、送電コイル１１と受電コイル２１の位置合わせが完了したと判断する。また、振動検出後の所定時間内に信号強度を受信できなかった場合、送電器１０の近傍に受電器２０がないと判断し、間欠送電を止めて、マイコンが振動待ちのスリープ状態に戻る。
【００２９】
ワイヤレス電力伝送装置の送電器１０に圧電振動センサ１５を設けることで、携帯機器などの受電器２０が送電器１０に置かれたときに生じる振動を検出できる。これにより、待機状態において送電器１０から間欠に送電することなく受電器２０の有無を常にチェックすることができるので、待機電力を大幅に低減することができる。
【００３０】
本実施形態では、送電器１０に加わる振動を検出するために圧電振動センサ１５を用いたが、振動を検出できるのであれば、どのような振動センサを用いても構わない。導電性ゴムやシリコンピエゾ抵抗型、渦電流型、静電容量型、光学型など、他の振動センサを用いても構わない。
【００３１】
次に、本発明のワイヤレス電力伝送装置の変形例のブロック図を図４に示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００３２】
上述した実施形態において、振動センサとして圧電振動センサ１５を用いたが、本変形例の送電器１０’では、圧電振動センサ１５の代わりに圧電ブザー１７を用いたものである。なお、圧電ブザー１７の動作は、制御回路１４により制御される。また、制御回路１４と圧電ブザー１７の間にはバッファ回路１８が設けられている。制御回路１４から供給される制御信号は、バッファ回路１８内のオペアンプＯＰ２の非反転入力端子に供給されている。また、オペアンプＯＰ２の反転入力端子は、出力端子に接続されている。オペアンプＯＰ２から出力される信号は、圧電ブザー１７に供給される。
【００３３】
ワイヤレス電力伝送装置において、受電器２０の検出や位置ずれ、位置合わせ終了、充電中、充電完了、エラー発生などいろいろな状態情報は、ＬＥＤなどの光で表示することが一般的である。これにより、充電状況等がユーザーに的確に明示される。しかし、ＬＥＤに加えて圧電ブザー１７を併用し、上述のような状態情報を光と音声でユーザーに知らせると、より直観的で便利である。
【００３４】
圧電ブザー１７の基本構造は、基本的に円形の金属板と圧電セラミック板を張り合わせたユニモルフ構造である。圧電ブザー１７にパルス信号を印加すると、円形のユニモルフに屈曲振動が励起し、音声が発生する。逆に、圧電ブザー１７に振動を与えると、圧電効果により、電圧信号が発生するので、原理的に圧電ブザー１７が振動センサとして働くことが可能である。
【００３５】
圧電ブザー１７から音声を発生させる場合には、バッファ回路１８を介して制御回路１４から圧電ブザー１７にＰＷＭ駆動信号を供給する。すると、圧電ブザー１７は発音体として動作する。一方、圧電ブザー１７が振動を受けると、電荷（電圧信号）が発生し、増幅回路１６を介して、制御回路１４に供給される。このように、圧電ブザー１７は振動センサとしても動作することができる。上述した実施形態と同様に、圧電ブザー１７が振動を検出したときに制御回路１４（マイコン）を起動させることで、消費電力を低減することができる。
【００３６】
圧電ブザー１７を振動検出および音声報知の用途で兼用する場合、圧電ブザー１７と制御回路１４内のＰＷＭ駆動回路を直接接続すると、振動により圧電ブザー１７に生じる微弱電荷がＰＷＭ駆動回路に吸収されることがある。上述したように、バッファ回路１８を介して圧電ブザー１７を駆動することで、電荷の吸収を防ぎ、圧電ブザー１７が振動センサとして動作するときの感度の低下を防止することができる。また、圧電ブザー１７が振動センサとして動作するときの感度は、バッファ用アンプの種類によって大きく異なってくる。感度の低下を防止するためには、バッファ回路１８に用いるオペアンプＯＰ２の出力容量を小さくすることが望ましい。
【００３７】
以上説明したように、受電器２０の検出に振動センサを利用することで、極めて低い待機電力を実現できる。また、待機電力を抑えつつ、一時的に消費電力の大きい受電器検知手段を利用することができ、送電器の設計柔軟性を向上できる。また、送電器に音声報知のための圧電ブザーが設けられている場合、圧電ブザーを振動センサとして兼用することが可能であり、上述の機能を低コストで実現できる。
【００３８】
なお、送電器から受電器に対して電磁誘導により給電するのではなく、磁界共鳴や電界結合などの手法を用いて非接触で給電するようにしても構わない。また、受電器の有無や位置を検出する方法についてはあくまで一例であり、他の方法を用いても構わない。本発明は、技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  送電器
１１  送電コイル
１２  駆動回路
１３  検出手段
１４  制御回路
１５  圧電振動センサ
１６  増幅回路
１７  圧電ブザー
１８  バッファ回路
２０  受電器
２１  受電コイル
３１  金属板
３２  圧電材
３３  固定部材
３４  プリント基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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