(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-05
(45)【発行日】2023-10-16
(54)【発明の名称】ワイヤレス送電装置、充電器
(51)【国際特許分類】
H02J 50/40 20160101AFI20231006BHJP
H02J 50/12 20160101ALI20231006BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20231006BHJP
H01F 38/14 20060101ALI20231006BHJP
H01F 27/28 20060101ALI20231006BHJP
【ＦＩ】
H02J50/40
H02J50/12
H02J7/00 301D
H01F38/14
H01F27/28 K
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019065944
(22)【出願日】2019-03-29
(65)【公開番号】P2020167832
(43)【公開日】2020-10-08
【審査請求日】2022-02-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】内本 大介
【審査官】岩井 一央
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－２３９５９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２５９５３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５０９１２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０９７８１３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ １７／００－２１／１２
Ｈ０１Ｆ ２７／００
Ｈ０１Ｆ ２７／０２
Ｈ０１Ｆ ２７／０６
Ｈ０１Ｆ ２７／０８
Ｈ０１Ｆ ２７／２３
Ｈ０１Ｆ ２７／２６－２７／３０
Ｈ０１Ｆ ２７／３２
Ｈ０１Ｆ ２７／３６
Ｈ０１Ｆ ２７／４２
Ｈ０１Ｆ ３８／１４
Ｈ０１Ｆ ３８／１８
Ｈ０１Ｆ ３８／４２
Ｈ０２Ｊ ７／００－７／１２
Ｈ０２Ｊ ７／３４－７／３６
Ｈ０２Ｊ ５０／００－５０／９０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
送信電力を、少なくとも、第１レンジあるいは値と、第２レンジあるいは値と、で切り替えることをサポートするＱｉ規格とＰＭＡ規格の少なくとも一方に準拠したワイヤレス送電装置であって、
送信アンテナと、
前記送信アンテナの両端と接続されるフルブリッジ回路と、
を備え、
前記送信アンテナは、
前記両端である第１端および第２端と、
前記第１端および前記第２端の間に、電気的に直列に接続された、第１キャパシタ、第１コイル、第２コイル、第２キャパシタと、
前記第１コイルと前記第２コイルの接続ノードに設けられたタップと、
前記タップと前記第２端の間に、前記第２コイルおよび前記第２キャパシタの直列接続回路と並列に設けられるスイッチと、
を備え、
前記第１コイルと前記第２コイルは、少なくとも一部がオーバーラップする態様で積層され、
前記送信電力が前記第１のレンジあるいは値であるとき、送電中において前記スイッチはオフに固定され、前記送信電力が前記第２のレンジあるいは値であるとき、送電中において前記スイッチはオンに固定されることを特徴とするワイヤレス送電装置。
【請求項2】
前記第１コイルと前記第２コイルそれぞれの中心が一致することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
【請求項3】
前記第１コイルと前記第２コイルは、内径が実質的に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置。
【請求項4】
前記第１コイルと前記第２コイルは、外径が実質的に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置。
【請求項5】
請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス送電装置を備えることを特徴とする充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ワイヤレス給電技術に関し、特にワイヤレス送電装置の送信コイルに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器への給電方式として、ワイヤレス給電が普及の兆しを見せている。ワイヤレス給電には、電磁誘導（MI：Magnetic Induction）方式と磁気共鳴（MR：Magnetic Resonance）方式の２つの方式が存在するが、ＭＩ方式では、現在、ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が策定した規格「Qi」が主流となっている。
【0003】
ＭＩ方式のワイヤレス給電は、送信コイルと受信コイル間の電磁誘導を利用したものである。給電システムは、送信コイルを有する給電装置と、受信コイルを有する受電装置で構成される。
【0004】
図１は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システム１０の構成を示す図である。給電システム１０は、送電装置２０（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３０（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３０は、携帯電話端末、スマートフォン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器、タブレット端末などの電子機器に搭載される。
【0005】
送電装置２０は、送信コイル（１次コイル）２２、ドライバ２４、送電コントローラ２６、復調器２８を備える。ドライバ２４は、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル２２に駆動信号Ｓ１、具体的にはパルス信号を印加し、送信コイル２２に流れる駆動電流により、送信コイル２２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。送電コントローラ２６は、送電装置２０全体を統括的に制御するものであり、具体的には、ドライバ２４のスイッチング周波数、スイッチングのデューティ比、位相などを制御することにより、送信電力を変化させる。
【0006】
受電装置３０は、受信コイル（２次コイル）３２、整流回路３４、平滑コンデンサ３６、変調器３８、負荷４０、受電コントローラ４２、電源回路４４を備える。受信コイル３２は、送信コイル２２からの電力信号Ｓ２を受信する。整流回路３４および平滑コンデンサ３６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧に変換する。
【0007】
電源回路４４は、送電装置２０から供給された電力を利用して図示しない二次電池を充電し、あるいは直流電圧ＶＲＥＣＴを昇圧あるいは降圧し、受電コントローラ４２やその他の負荷４０に供給する。
【0008】
Ｑｉ規格では、送電装置２０と受電装置３０の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３０から送電装置２０に対して、制御信号Ｓ３による情報の伝達が可能となっている。この制御信号Ｓ３は、後方散乱変調（Backscatter modulation）を利用して、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調された形で、受信コイル３２（２次コイル）から送信コイル２２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３０に対する電力供給量を制御する電力制御データ（パケットともいう）や、受電装置３０の固有の情報を示すデータなどが含まれる。
【0009】
電力制御について説明する。受電装置３０の受電コントローラ４２は、送電装置２０からの電力供給量（送信電力）を制御する電力制御データを生成する。たとえば受電コントローラ４２は、平滑コンデンサ３６の電圧ＶＲＥＣＴがその目標値（ＤＰ：Desired Point）に近づくように電力制御パケットを生成する。変調器３８は、電力制御パケットにもとづいて、受信コイル３２の電流（あるいは電圧）を変調する。これにより受信コイル３２が送信アンテナとなり、制御信号Ｓ３が送信される。
【0010】
送電装置２０において、送信コイル２２には、制御信号Ｓ３に応じた電流成分が流れる。復調器２８は、送信コイル２２の電流あるいは電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。送電コントローラ２６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データが指示する送信電力が得られるように、ドライバ２４を制御する。
【0011】
このようにしてＱｉ規格に準拠した給電システム１０では、受電装置側が要求する電力と一致するように送信電力がフィードバック制御される。ＰＭＡ規格においても同様に、送信電力がフィードバック制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【文献】特開２０１３－３８８５４号公報
【文献】特許第５０７１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
現時点で、Ｑｉ規格の送信電力は５～１５Ｗ（ＥＰＰ）であるが、次世代では６０Ｗ～１００Ｗ（Medium Power）まで増やすことが計画されている。同じ送電装置によって、１５Ｗと６０Ｗの両方をサポートする場合、アレイ状に配置された複数の送信コイルを使用するというアプローチを採りうるが、面積が大きくなり、コストが高くなるという問題がある。
【0014】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、送信コイルの小型化にある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明のある態様は、ワイヤレス送電装置に用いられる送信コイルに関する。送信コイルは、第１コイルと、第１コイルと電気的に直列に接続される第２コイルと、第１コイルと第２コイルの接続ノードに設けられたタップと、を備える。第１コイルと第２コイルは、少なくとも一部がオーバーラップして積層される。
【0016】
第１コイルと第２コイルの両方を駆動することで大電力を送電でき、一方のみを駆動することで小さい電力を送電できる。この態様によると、２つのコイルを重ねることで、面積を小さくできる。
【0017】
第１コイルと第２コイルは、それぞれの中心が一致してもよい。
【0018】
第１コイルと第２コイルは、内径が実質的に等しく、外径が異なっていてもよい。
【0019】
第１コイルと第２コイルは、外径が実質的に等しく、内径が異なっていてもよい。
【0020】
本発明の別の態様は、送信アンテナに関する。送信アンテナは、送信コイルと、送信コイルと直列に接続される第１キャパシタおよび第２キャパシタと、送信コイルの第２コイルと第２キャパシタの直列接続回路と並列に設けられるスイッチと、を備えてもよい。
【0021】
本発明の別の態様は、ワイヤレス送電装置に関する。ワイヤレス送電装置は、送信アンテナと、送信アンテナを駆動するブリッジ回路と、を備えてもよい。
【0022】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0023】
本発明のある態様によれば、送信コイルを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システムの構成を示す図である。
【図2】実施例１に係る送信コイルの等価回路図である。
【図4】比較技術に係る送信コイルを示す図である。
【図5】送信コイルの巻き方の一例を示す図である。
【図6】送信コイルの巻き方の別の一例を示す図である。
【図7】送信コイルの巻き方の別の一例を示す図である。
【図8】送信コイルの巻き方の別の一例を示す図である。
【図10】実施例２に係る送信コイルの巻き方の一例を示す図である。
【図12】送信コイルを備えるワイヤレス送電装置の回路図である。
【図13】変形例に係るワイヤレス送電装置の回路図である。
【図14】充電器と電子機器を示す図である。
【図15】送電装置を備える充電器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0026】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【0027】
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【0028】
（実施例１）
図２は、実施例１に係る送信コイル５００の等価回路図である。送信コイル５００は、ワイヤレス給電装置に搭載される。このワイヤレス給電装置は、送信電力を少なくとも２つのレンジ（あるいは値）で切り替えることをサポートするＱｉ規格あるいはＰＭＡ規格に準拠もしくは対応する。
図２は、実施例１に係る送信コイル５００の等価回路図である。送信コイル５００は、ワイヤレス給電装置に搭載される。このワイヤレス給電装置は、送信電力を少なくとも２つのレンジ（あるいは値）で切り替えることをサポートするＱｉ規格あるいはＰＭＡ規格に準拠もしくは対応する。
【0029】
図２に示すように、送信コイル５００は、第１コイル５０２、第２コイル５０４、タップＴＰを備える。第１コイル５０２およびタップＴＰは電気的に直列に接続され、それらの接続ノードにはタップＴＰが設けられる。
【0030】
図３（ａ）～（ｃ）は、送信コイル５００の斜視図、平面図および断面図である。第１コイル５０２と第２コイル５０４は、それぞれの中心Ｏが一致し、かつ少なくとも一部においてオーバーラップする態様で積層される。
【0031】
実施例１において、第１コイル５０２と第２コイル５０４の内径ｒ１，ｒ２は実質的に同一であり(ｒ１≒ｒ２)、それらの外径Ｒ１，Ｒ２が異なっている（Ｒ１＞Ｒ２）。
【0032】
以上が送信コイル５００の構成である。この送信コイル５００によれば、端子Ｅ１，Ｅ２の一方と、タップＴＰの間に交流駆動信号を印加することで、第１コイル５０２と第２コイル５０４の一方のみを励磁し、相対的に小さい電力を送信することができる。
【0033】
また端子Ｅ１とＥ２の間に交流駆動信号を印加し、第１コイル５０２と第２コイル５０４の両方を励磁することで、相対的に大きい電力を送信することができる。
【0034】
また、内周を揃えることで、内周側において第１コイル５０２と第２コイル５０４のタップを設けることが容易となる。なお第１コイル５０２と第２コイル５０４は、独立した２本の巻線で形成した後に、それらを接続してもよい。あるいは第１コイル５０２と第２コイル５０４を、共通の１本の巻線で形成してもよい。
【0035】
送信コイル５００の利点は、比較技術との対比によって明確となる。図４は、比較技術に係る送信コイル５１０を示す図である。送信コイル５１０は、第１コイル５１２、第２コイル５１４を備える。比較技術において、第１コイル５１２、第２コイル５１４は同一平面に設けられ、第２コイル５１４は、第１コイル５１２の内周側に収まっている。すなわち、第１コイル５１２の内径ｒ１は、第２コイル５１４の外径Ｒ２より大きくなっている（ｒ１＞Ｒ２）。この比較技術において、実施例１と同じ電気的特性（アンテナ特性）を実現しようとした場合、第１コイル５１２の外径Ｒ１は、第１コイル５０２の外径Ｒ１よりも大きくする必要がある。逆に言えば、実施例１によれば、第１コイル５０２と第２コイル５０４を積層構造とすることで、送信コイル５００全体のサイズ（面積）を小さくすることができる。
【0036】
続いて、送信コイル５００の巻き方について、いくつかの例を説明する。
【0037】
図５は、送信コイル５００の巻き方の一例を示す図である。なお、第１コイル５０２、第２コイル５０４それぞれの巻線の種類は特に限定されず、平角線、角線、丸線を用いることができる。この例では、第１コイル５０２、第２コイル５０４それぞれは１層であり、送信コイル５００全体として、２層α巻となっている。
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
第１コイル５０２、第２コイル５０４それぞれの層数をさらに増やしてもよい。
【0042】
（実施例２）
図９（ａ）～（ｃ）は、実施例２に係る送信コイル５００Ａの斜視図、平面図および断面図である。送信コイル５００Ａの等価回路は、図２の送信コイル５００と同じであり、第１コイル５０２Ａと第２コイル５０４Ｂを備える。
図９（ａ）～（ｃ）は、実施例２に係る送信コイル５００Ａの斜視図、平面図および断面図である。送信コイル５００Ａの等価回路は、図２の送信コイル５００と同じであり、第１コイル５０２Ａと第２コイル５０４Ｂを備える。
【0043】
実施例２に係る送信コイル５００Ａは、第１コイル５０２Ａと第２コイル５０４Ａの中心Ｏが一致し、かつ巻線同士が一部においてオーバーラップする態様で積層される点で、実施例１の送信コイル５００と同様である。
【0044】
実施例２では、第１コイル５０２Ａと第２コイル５０４Ａの外径Ｒ１，Ｒ２は実質的に同一であり(Ｒ１≒Ｒ２)、それらの内径ｒ１，ｒ２が異なっている（ｒ１＞ｒ２）。
【0045】
以上が送信コイル５００Ａの構成である。この送信コイル５００Ａによれば、実施例１と同じ効果を得ることができる。実施例１と実施例２では、異なる電磁界の強度分布（プロファイル）を得ることができ、用途に応じて適切な一方を選択すればよい。
【0046】
図１０は、実施例２に係る送信コイル５００Ａの巻き方の一例を示す図である。この例では、第１コイル５０２、第２コイル５０４それぞれは１層であり、送信コイル５００全体として、２層α巻となっている。第１コイル５０２と第２コイル５０４は、内周側において接続することが容易である。図１０の巻き方は、図４に対応付けることができ、円の外周と内周を入れ替えたものと把握することができる。同様に、図５～図８の巻き方を利用して、実施例２に係る送信コイル５００Ａを構成することができる。
【0047】
（変形例１）
続いて送信コイル５００の変形例を説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、変形例１に係る送信コイル５００Ｂを示す図である。送信コイル５００Ｂは、矩形コイルである。その他の点については、実施例１あるいは２と同様である。
続いて送信コイル５００の変形例を説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、変形例１に係る送信コイル５００Ｂを示す図である。送信コイル５００Ｂは、矩形コイルである。その他の点については、実施例１あるいは２と同様である。
【0048】
（変形例２）
実施の形態では、２個のコイルの中心が実質的に一致したがその限りでなく、それらはオフセットしていてもよい。
実施の形態では、２個のコイルの中心が実質的に一致したがその限りでなく、それらはオフセットしていてもよい。
【0049】
（変形例３）
実施例１では、第１コイル５０２と第２コイル５０４の内径が等しく、実施例２では第１コイル５０２と第２コイル５０４の外径を等しいとしたがその限りでない。たとえば、ｒ１＜ｒ２＜Ｒ２＜Ｒ１の関係が成り立っていてもよい。
実施例１では、第１コイル５０２と第２コイル５０４の内径が等しく、実施例２では第１コイル５０２と第２コイル５０４の外径を等しいとしたがその限りでない。たとえば、ｒ１＜ｒ２＜Ｒ２＜Ｒ１の関係が成り立っていてもよい。
【0050】
続いて、送信コイル５００（あるいは送信コイル５００Ａ）を備える送電装置を説明する。図１２は、送信コイル５００を備えるワイヤレス送電装置１００の回路図である。
【0051】
ワイヤレス送電装置１００は、送信アンテナ６００、ブリッジ回路７００を備える。送信アンテナ６００は、送信コイル５００、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２、スイッチＳＷ１を含む。第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２は、送信コイル５００と直列に接続される。スイッチＳＷ１は、送信コイル５００の第２コイル５０４と第２キャパシタＣ２の直列接続回路と並列に設けられる。
【0052】
ブリッジ回路７００は、送信アンテナ６００の両端間に交流の駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。たとえばブリッジ回路７００は、フルブリッジ回路（Ｈブリッジ回路）である。プリドライバ７２０は、図示しないコントローラからの制御信号にもとづいてブリッジ回路７００を駆動する。
【0053】
このワイヤレス送電装置１００によれば、送信電力のレンジに応じて、スイッチＳＷ１のオン、オフを切り替えることにより、第１コイル５０２のみが励磁される状態と、第１コイル５０２と第２コイル５０４の両方が励磁される状態と、を切り替えることができる。
【0054】
スイッチＳＷ１がオンのとき、送信コイル５００のインダクタンスは第１コイル５０２のインダクタンス成分Ｌ１であり、スイッチＳＷ２がオフのとき、送信コイル５００のインダクタンスは２個のコイル５０２、５０４のインダクタンスの和Ｌ１＋Ｌ２である。
【0055】
また、２個のキャパシタＣ１，Ｃ２を設け、それらの容量値を最適化することにより、スイッチＳＷ１がオンのときと、オフのときのアンテナの共振周波数を独立に規定することができる。
【0056】
図１３は、変形例に係るワイヤレス送電装置１００Ｂの回路図である。スイッチＳＷ１に代えて、スイッチＳＷ２が設けられる。スイッチＳＷ２は、タップＴＰと接地の間に設けられる。大きな電力を送信するモードでは、ブリッジ回路７００はフルブリッジ回路として動作するが、小さな電力を送信するモードでは、ブリッジ回路７００はハーフブリッジ回路として動作する。具体的には、ブリッジ回路７００の一方の出力ＯＵＴ２はローに固定され、ブリッジ回路７００の他方の出力ＯＵＴ１のみがスイッチングする。
【0057】
続いて送電装置１００の用途を説明する。
【0058】
図１４は、充電器５０と電子機器６０を示す図である。電子機器６０は、充電器５０の充電台５２の上に載置される。充電器５０の充電台５２の下には、送信コイル５００が設けられている。
【0059】
図１５は、送電装置１００を備える充電器４００を示す図である。充電器４００は、受電装置を備える電子機器（不図示）を充電する。充電器４００は、筐体４０２、充電台４０４、回路基板４０６、を備える。給電対象の電子機器は、充電台４０４上に載置される。ブリッジ回路やプリドライバ、送電コントローラ、復調器などの回路部品は、回路基板４０６上に実装される。送信コイル５００は、充電台４０４の直下にレイアウトされる。
【0060】
充電器４００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ４１０からの直流電圧を受けてもよいし、ＡＣ／ＤＣコンバータを内蔵してもよい。あるいは充電器４００は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの給電線を備えるバスを介して、外部からＤＣ電力の供給を受けてもよい。
【0061】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【0062】
１００ ワイヤレス送電装置
５００ 送信コイル
５０２ 第１コイル
５０４ 第２コイル
ＴＰ タップ
７００ ブリッジ回路
Ｃ１ 第１キャパシタ
Ｃ２ 第２キャパシタ
ＳＷ１ スイッチ
５００ 送信コイル
５０２ 第１コイル
５０４ 第２コイル
ＴＰ タップ
７００ ブリッジ回路
Ｃ１ 第１キャパシタ
Ｃ２ 第２キャパシタ
ＳＷ１ スイッチ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】