CN102349215A - 电力传输系统和电力输出设备 - Google Patents
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Abstract
在根据本发明的电力传输系统中，频率发生器(110)经由激励元件(120)向共振元件(130)输出具有与该共振元件(130)的共振频率大致相同的频率分量的电信号的电力。该共振元件(130)是具有电感和电容的元件，并且利用来自频率发生器(110)的电信号生成磁场。磁场耦合电路(200)是具有与共振元件(130)相同的共振频率的电路，并通过与共振元件(130)的磁场共振而被耦合。磁场耦合电路(200)还与另一共振元件(330)进行磁场耦合，并将来自该共振元件(130)的电力发送给该另一共振元件(330)。该另一共振元件(330)经由激励元件(320)将通过磁场耦合电路(200)发送来的电力输出到整流器电路(310)。整流器电路(310)从来自共振元件(330)的电信号生成DC电压。
Description
技术领域
本发明涉及电力传输系统和电力输出设备，更具体地涉及使用磁场共振(magnetic field resonance)来供应电力的电力传输系统和电力输出设备。
背景技术
过去，使用电磁感应的技术已经被广泛用作无线电力传输技术。近年来，使用电场或磁场的共振的电力传输技术已经引起关注。例如，提出了这样一种电力传输系统，该电力传输系统使用了包括线圈和电容器的共振元件所生成的磁场的共振现象(例如，参见专利文献)。
引用列表
专利文献
专利文献1：美国专利公报No.2007/0222542(图3)。
发明内容
技术问题
在传统技术中，可以通过在安装在供应电力的电力供应设备中的共振元件与安装在接收电力供应设备所供应的电力的电力接收设备中的共振元件之间通过磁场共振进行耦合来传输电力。但是，在使用磁场共振的电力传输系统中，当共振元件之间的距离增大时，电力的传输效率被降低。
鉴于以上问题做出了本发明，并且本发明的一个目的在于提供一种提高了电力的传输效率的电力传输系统和电力输出设备。
解决问题的方案
根据本发明的第一方面，为了达到上述目的，提供了一种电力传输系统，包括：电力供应设备，该电力供应设备包括第一共振元件和频率发生器，所述第一共振元件具有电感和电容，所述频率发生器生成具有与由所述电感和所述电容确定的共振频率大致相同的频率分量的电信号的电力并且将所生成的电信号供应给所述第一共振元件；磁场耦合电路，该磁场耦合电路通过与所述第一共振元件的磁场共振而被耦合；以及电力接收设备，该电力接收设备包括第二共振元件，所述第二共振元件通过与所述磁场耦合电路的磁场共振来接收来自所述电力供应设备的电力。所以，存在这样的效果：通过产生磁场耦合的磁场耦合电路与第一共振元件和第二共振元件之间的磁场共振进行耦合来将电力从电力供应设备发送到电力接收设备。
在第一方面，所述磁场耦合电路可以具有与由所述第一共振元件的电感和电容确定的所述共振频率大致相同的共振频率。所以，存在这样的效果：通过将磁场耦合电路设置为与第一共振元件的共振频率大致相同的共振频率，来增加第一共振元件和磁场耦合电路之间的耦合程度。
在第一方面，所述磁场耦合电路可以在与所述第一共振元件和所述第二共振元件所生成的磁场的磁场方向大致相同的线上生成磁场。所以，存在这样的效果：在与第一和第二共振元件所生成的磁场的磁场方向大致相同的线上生成磁场。
在第一方面，所述磁场耦合电路可以生成与所述第一共振元件和所述第二共振元件所生成的磁场的磁场方向大致平行的磁场。所以，存在这样的效果：生成与第一和第二共振元件所生成的磁场的磁场方向大致平行的磁场。
在第一方面，磁场耦合电路可以被放置在第一和第二共振元件之间的距离的中点处。所以，存在这样的效果：通过将磁场耦合电路布置在第一和第二共振元件之间的距离的大约中点处，来增加磁场耦合电路和第二共振元件之间的耦合程度。
在第一方面，磁场耦合电路可以包括具有电感和电容的多个共振元件。所以，存在这样的效果：将具有电感和电容的多个共振元件放置在磁场耦合电路中。
在第一方面，电力接收设备可以通过与第一共振元件或磁场耦合电路的磁场共振来接收来自电力供应设备的电力。所以，存在这样的效果：通过第一共振元件和磁场耦合电路中的至少一个与第二共振元件之间的磁场共振来使得电力接收设备从电力供应设备接收电力。
根据本发明的第二方面，为了达到上述目的，提供了一种电力输出设备，包括：共振元件，该共振元件具有电感和电容；频率发生器，该频率发生器生成具有与由所述电感和所述电容确定的共振频率大致相同的频率分量的电信号的电力，并且将所生成的电信号供应给所述共振元件；以及多个共振元件，所述多个共振元件具有与上述共振元件的共振频率大致相同的共振频率。所以，存在这样的效果：通过供应来自频率发生器的电信号的共振元件与多个共振元件之间的磁场共振来产生耦合状态。
本发明的有益效果
根据本发明，可以获得能够提高电力传输系统和电力输出设备中的电力传输效率的优良效果。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的电力传输系统的配置示例的框图。
图2的(a)和(b)是示出当被布置在共振元件130和330之间的传输距离的中间的磁场耦合电路200被旋转时测量电力的传输效率的结果的示例的示意图。
图3是示出根据本发明的第一实施例的当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间的相同轴线上移动时传输效率的测量系统的概念性示意图。
图4的(a)和(b)是示出根据本发明的第一实施例的当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间的相同轴线上移动时测量电力的传输效率的结果的示例的示意图。
图5的(a)和(b)是示出共振元件130和330之间的传输距离与传输效率之间的关系的示意图。
图6是示出当磁场耦合电路200的线圈轴线与共振元件130和330的线圈轴线相垂直时传输效率的改变的示意图。
图7是示出根据本发明的第二实施例的当磁场耦合电路200和共振元件130和330被布置为它们的轴线相互平行时传输效率的测量系统的概念性示意图。
图8的(a)和(b)是示出根据本发明的第二实施例的当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间移动时测量电力的传输效率的结果的示例的示意图。
图9是示出根据本发明的第三实施例的共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330的布置示例的示意图。
图10是示出当本发明的第一至第三实施例被应用于鼠标垫(mousepad)710和鼠标720时鼠标垫710和鼠标720的配置示例的框图。
图11是示出当本发明的第一实施例被应用于半导体器件时半导体器件的层叠结构的示例的截面图。
图12是示出当本发明的第二实施例被应用于半导体器件时半导体器件的布局的示例的平面图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。注意，在说明书和附图中，具有基本相同的功能和结构的元件由相同的参考标号标识，并且重复说明被省去。
1.第一实施例(电力供应技术：共振元件和磁场耦合电路被布置为使得线圈处于同一轴线上的示例)
2.第二实施例(电力供应技术：共振元件和磁场耦合电路被布置为使得线圈的轴相互平行的示例)
3.第三实施例(电力供应技术：磁场耦合电路被布置在共振元件周围的示例)
4.第一至第三实施例的应用示例
<1.第一实施例>
[电力传输系统的配置示例]
图1是示出根据本发明的第一实施例的电力传输系统的配置示例的框图。
电力传输系统包括电力供应设备100、磁场耦合电路200、以及电力接收设备300。电力供应设备100通过磁场共振使用耦合来向电力接收设备300供应电力。磁场耦合电路200是将由电力供应设备100供应的电力发送给电力接收设备300的电路。电力接收设备300经由磁场耦合电路200从电力供应设备100接收电力，并且执行一定的操作。
电力供应设备100包括频率发生器110、激励元件(driven element)120、以及共振元件130。电力供应设备100是权利要求的范围中所记载的电力供应设备的示例。电力接收设备300包括整流器电路310、激励元件320、共振元件330、以及负载电路340。电力接收设备300是权利要求的范围中所记载的电力接收设备。
频率发生器110生成包括预定频率分量的电信号。例如，频率发生器110生成包括与共振元件130的共振频率相同的频率分量的电信号。即，频率发生器110生成电信号，作为将供应给电力接收设备300的电力。例如，频率发生器110由科耳皮兹(Colpitts)振荡器、哈脱莱(Hartley)振荡器等实现。频率发生器110将所生成的电信号的电力输出给激励元件120。
这里，描述了频率发生器110生成包括与共振元件130的共振频率相同的频率分量的电信号的示例，但是本发明不限于此。例如，频率发生器110可以生成包括与共振元件130的共振频率大致相同的频率分量的电信号，或者可以生成包括共振频率附近的多个频率分量的电信号。频率发生器110是权利要求的范围中所记载的频率发生器的示例。
激励元件120是由频率发生器110所供应的电信号激发并且向共振元件130发送电信号的电介质元件。也就是说，激励元件120通过电磁感应效应将频率发生器110与共振元件130相耦合。激励元件120用于通过在频率发生器110和共振元件130之间执行阻抗匹配来防止电信号被反射。例如，激励元件120由线圈实现。激励元件120通过电磁感应效应将频率发生器110所供应的电信号输出到共振元件130。
共振元件130是主要基于激励元件120所输出的电信号来生成磁场的电路。共振元件130具有电感和电容。共振元件130在共振频率处的磁场强度最强。共振频率fr可以由以下等式表示：
[数学式1]
其中，L代表共振元件130的电感，并且C代表共振元件130的电容。根据以上等式，共振元件130的共振频率取决于共振元件的电感L和电容C来确定。
例如，共振元件130由线圈实现。在这种实现示例中，线圈线(coinline)之间的电容充当电容。在这个示例中，共振元件130的线圈在线圈的轴方向中生成磁场。共振元件130是权利要求的范围中所记载的电力输出设备的共振元件的示例或者第一共振元件的示例。
磁场耦合电路200通过磁场共振将相应的磁场耦合电路200与电力供应设备100的共振元件130相耦合。也就是说，磁场耦合电路200变得与共振元件130相耦合。磁场耦合电路200使得甚至在相应的磁场耦合电路200和电力接收设备300之间进行磁场耦合。类似于共振元件130，磁场耦合电路200具有电感和电容。磁场耦合电路200具有与共振元件130大致相同的共振频率。例如，为了优化与共振元件130的耦合程度，磁场耦合电路200被设置到与共振元件130相同的共振频率。磁场耦合电路200被布置在电力供应设备100的共振元件130和电力接收设备300的共振元件330之间。
例如，类似于共振元件130，磁场耦合电路200由线圈实现。在这个实现示例中，线圈线之间的电容充当电容。共振元件130的线圈在线圈的轴方向中生成磁场。磁场耦合电路200通过磁场耦合电路200和电力接收设备300的共振元件330之间的磁场共振，通过耦合将电力供应设备100所供应的电力发送给共振元件330。磁场耦合电路200是权利要求的范围中所记载的磁场耦合电路的示例。
共振元件330是通过相应的共振元件330和磁场耦合电路200之间的磁场共振，根据磁场耦合从电力供应设备100接收电力的设备。共振元件330通过相应的共振元件330和电力供应设备100的共振元件130之间的磁场耦合，从电力供应设备100接收电力。类似于共振元件130和磁场耦合电路200，共振元件330具有电感和电容。
共振元件330具有与共振元件130或者磁场耦合电路200大致相同的共振频率。例如，为了优化与磁场耦合电路200的耦合程度，共振元件330被设置到与磁场耦合电路200的共振频率相同的共振频率。如上所述，共振元件130、磁场耦合电路200以及共振元件330的共振频率被设置到相同的频率。从而，可以提高从电力供应设备100到电力接收设备300的电力传输效率。
例如，类似于共振元件130和磁场耦合电路200，共振元件330由线圈实现。在该实现示例中，线圈线之间的电容充当电容。在该示例中，共振元件330的线圈在线圈的轴方向中生成磁场。共振元件330将通过与共振元件130磁场耦合生成的电信号的电力输出到激励元件320。共振元件330是权利要求的范围中所记载的第二共振元件的示例。
激励元件320是由共振元件330所供应的电信号激发并且将电信号输出给整流器电路310的电介质元件。也就是说，激励元件320通过电磁感应效应将共振元件130与整流器电路310相耦合。激励元件320通过执行共振元件330和整流器电路310之间的阻抗匹配，来防止电信号被反射。例如，激励元件320由线圈实现。激励元件320为整流器电路310供应交流(AC)电压，该交流电压是通过与共振元件330的电磁感应效应生成的电信号。
整流器电路310对激励元件320所供应的AC电压进行整流，并且生成直流(DC)电压作为电力电压(power voltage)。整流器电路310向负载电路340供应所生成的电力电压。负载电路340从整流器电路310接收电力电压，并且执行一定操作。
如上所述，通过在共振元件130和330之间安装磁场耦合电路200，通过共振元件130和330与磁场耦合电路200之间的磁场共振引起了耦合，从而使得来自电力供应设备100的电力可以被供应给电力接收设备300。下面将参考附图描述通过布置磁场耦合电路200而使得电力传输效率改变。
[当磁场耦合电路被旋转时电力效率的测量结果的示例]
图2的(a)和(b)是示出当布置在共振元件130和330之间的传输距离的中间的磁场耦合电路200被旋转时测量电力的传输效率的结果的示例的示意图。图2的(a)是示出当磁场耦合电路200被旋转时传输效率的测量系统的概念性示意图。图2的(b)是示出由图2中所示的测量系统测得的传输特性的示意图。
图2的(a)示出了激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200。在这个测量系统中，由频率发生器110施加到激励元件120的电信号通过电磁感应效应被供应给共振元件130。然后，通过与共振元件130的磁场共振经由磁场耦合电路200发送给共振元件330的电信号被输出到激励元件320。
在这种情况下，作为共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330，具有“10cm”半径的相同线圈被使用。共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330具有大约26.2MHz的共振频率。共振元件130和330的线圈被布置在相同的线圈轴线上。共振元件130和330之间的传输距离为“60cm”。磁场耦合电路200被布置在共振元件130和共振元件330之间的传输距离的中点处。也就是说，磁场耦合电路200被布置在与共振元件130相距“30cm”的位置处。
在这个测量系统中，基于被布置在与共振元件130和330的线圈相同的轴线上的磁场耦合电路200的线圈，在传输距离的中点上磁场耦合电路200被旋转0°、45°、60°、以及90°。在这种情况下，测量结果在图2的(b)中被示出。
图2的(b)示出了共振元件130和共振元件330之间的传输特性411至414以及800。垂直轴代表激励线圈120和320之间的电力传输中的电力衰减量，并且水平轴代表频率。衰减量以从频率发生器110供应给激励元件120的电信号的电力为基础。
传输特性411至414是由图2的(a)中所示的测量系统测量得出的传输特性。传输特性411至414示出了在共振频率fr处达到峰值的单峰特性。传输特性411是当磁场耦合电路200的角度为0°时共振元件130和共振元件330之间的传输特性。在这种情况下，相对于传输特性412至414，传输特性411在共振频率fr上的衰减量最小。
传输特性412是当磁场耦合电路200的角度为45°时的传输特性。传输特性412比传输特性411的电力衰减量大1dB。传输特性413是当磁场耦合电路200的角度为60°时的传输特性。传输特性413比传输特性412的电力衰减量大1dB。如上所述，即使磁场耦合电路200的角度变为60°，衰减量相比于0°的情况增加2dB。所以，即使磁场耦合电路200的角度没有被精确调整，也可以在一定程度上提高传输效率。
传输特性414是当磁场耦合电路200的角度为90°时的传输特性。传输特性414的衰减量显著大于传输特性413。传输特性414示出了与传输特性800大致相同的特性。
传输特性800是当磁场耦合电路200没有被安装在共振元件130和共振元件330之间时的传输特性。如上所述，传输特性800表示出与传输特性414相同的传输特性。因此，当磁场耦合电路200的角度为直角时，电力传输效率几乎不能通过磁场耦合电路200被提高。
如上所述，除了当磁场耦合电路200被布置在90°时的传输特性411以外，通过安装磁场耦合电路200，传输特性的衰减量相对于没有安装磁场耦合电路200时的传输特性800来说可以被减少。特别地，通过同轴安装共振元件130和330的线圈，传输特性可以最大程度地被改善。即，通过将磁场耦合电路200生成的磁场的磁场方向对准到与共振元件130和330生成的磁场的磁场方向同轴，共振元件130和330之间的传输效率可以被提高。另外，在没有精确调整磁场耦合电路200的角度的情况下，也可以在一定程度上提高传输效率。
下面，将参考附图描述在磁场耦合电路200的线圈轴线被对准到与共振元件130和330的线圈相同的轴线上之后，当磁场耦合电路200在该相同轴线上移动时电力传输效率的改变。
[当磁场耦合电路在相同轴线上移动时传输效率的测量结果的示例]
图3是示出根据本发明的第一实施例的当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间的相同轴线上移动时的传输效率的测量系统的概念性示意图。这里，示出了激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200。激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200与图2的(a)中所示的一样，所以省略了对它们的描述。但是，共振元件130和330之间的传输距离为“40cm”，与图2的(a)不同。
在这个测量系统中，磁场耦合电路200在共振元件130和330之间移动。然后，当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离变为“10cm”、“15cm”、“20cm”、“25cm”、以及“30cm”时，共振元件130和330之间的传输特性被测量。此时，磁场耦合电路200的线圈被设置为与共振元件130和330的线圈同轴。这种情况下的测量结果在接下来的附图中示出。
图4的(a)和(b)是示出根据本发明的第一实施例的当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间的相同轴线上移动时测量电力传输效率的结果的示例的示意图。图4的(a)是示出图3中所示的测量系统中的共振元件130和330之间的传输特性的示意图。图4的(b)是示出当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间的相同轴线上移动时的电力的传输效率的示意图。
在图4的(a)，示出了共振元件130和330之间的传输特性421至425。垂直轴代表衰减量，水平轴代表频率。衰减量是以从频率发生器110供应给激励元件120的电信号的电力为基础的。
传输特性421至425是由图3中所示的测量系统测量得出的传输特性。传输特性421是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“10cm”时共振元件130和共振元件330之间的传输特性。传输特性421表现出在24.7MHz附近和共振频率fr附近形成两个波峰(peak)的波形。传输特性421是相对于传输特性422至425具有最大衰减量的传输特性。
传输特性422是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“15cm”时的传输特性。传输特性422表现出在25.3MHz附近、共振频率fr附近、以及27.2MHz附近的三个波峰的形状。传输特性422在共振频率fr处的衰减量大约比传输特性421小7dB。
传输特性423是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“20cm”时的传输特性。也就是说，传输特性423是当磁场耦合电路200被布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处时的传输特性。传输特性423表现出在25.6MHz附近、共振频率fr附近、以及27.0MHz附近形成三个波峰的波形。在这种情况下，衰减量在共振频率fr附近最小。也就是说，通过将磁场耦合电路200安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，传输效率在共振频率fr附近变得最高。
传输特性424是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“25cm”时的传输特性。传输特性424表现出在25.4MHz附近、共振频率fr附近、以及27.1MHz附近的三个波峰的形状。传输特性424在共振频率fr处的衰减量大约比传输特性423大3dB。
传输特性425是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“30cm”时共振元件130和共振元件330之间的传输特性。类似于传输特性421，传输特性425表现出在24.7MHz附近和共振频率fr附近形成两个波峰的波形。传输特性425在共振频率fr处的衰减量大约比传输特性424大8dB。
如上所述，可以理解，传输特性随着磁场耦合电路200在共振元件130和330之间在共振元件130和330的线圈的相同轴线上移动而改变。在这种情况下，当磁场耦合电路200越接近于共振元件130和330之间的传输距离的中点位置时，共振频率fr附近的衰减量减少。所以，通过将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，共振频率fr附近的衰减量可以被最小化。
图4的(b)示出了代表共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离与基于图4的(a)中所示的共振频率fr所对应的衰减量的传输效率之间的关系的传输效率特性。垂直轴代表共振元件130和330之间的电力的传输效率，水平轴代表共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离。传输效率是以从频率发生器110供应给激励元件120的电信号的电力为基础的。
这里可以理解的是，当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“20cm”时传输效率最高。也就是说如上所述，通过将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以最大地提高电力的传输效率。这样，通过将共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330布置在相同轴线上并且将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以最大地提高传输效率。也就是说，通过使共振元件130和330与磁场耦合电路200具有相同的磁场方向并且将磁场耦合电路200布置在传输距离的中点处，可以最大地提高传输效率。接下来，将参考接下来的附图描述在这种情况下传输距离和传输效率之间的关系。
[通过将磁场耦合电路安装在共振元件之间的中点处来提高传输效率的示例]
图5的(a)和(b)是示出共振元件130和330之间的传输距离与传输效率之间的关系的示意图。在图3中所示的测量系统中，共振元件130和330之间的传输距离从“10cm”增加到了“80cm”，并且以“10cm”的间隔测量共振频率处的衰减量的结果被示出。在这种情况下，磁场耦合电路200被布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，从而使得磁场耦合电路200的线圈与共振元件130和330的线圈同轴。
图5的(a)是示出共振元件130和330之间的传输距离与衰减量之间的关系的示意图。图5的(b)是示出共振元件130和330之间的传输距离与传输效率之间的关系的示意图。水平轴代表共振元件130和330之间的传输距离。
在图5的(a)中，传输距离特性431由虚线指示，并且传输距离特性831由实线指示。垂直线代表在激励元件120和320之间的电力传输中与共振频率相对应的衰减量。衰减量是以从频率发生器110供应给激励元件120的电信号的电力为基础的。
由虚线指示的传输距离特性431代表当磁场耦合电路200被安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处时取决于传输距离的衰减量的改变。在传输距离特性431中，从大约“30cm”到大约“60cm”的传输距离处的衰减量的改变较小。当传输距离增加到“60cm”以上时，衰减量增加。
由实线指示的传输距离特性831代表当磁场耦合电路200未被安装在共振元件130和330之间时取决于传输距离的衰减量的改变。在传输距离特性831中，从“10cm”到“30cm”的传输距离处的衰减量的改变较小，但是当传输距离增加“30cm”以上时，衰减量增加。所以，可以理解，通过共振元件130和330之间的磁场共振的耦合程度根据共振元件130和330之间的传输距离而减小，从而使得衰减量增大。
如上所述，即使传输距离增大，相对于由实线指示的传输距离特性831，由虚线指示的传输距离特性431被抑制为较小的衰减量。所以，通过在共振元件130和330之间的传输距离的中点处安装磁场耦合电路200，共振元件130和330之间的电力传输中的衰减量可以被抑制。
在图5的(b)中，传输距离特性432由虚线指示，并且传输距离特性832由实线指示。图5的(a)中所示的传输距离特性431和831的垂直轴代表从衰减量转换得到的传输效率。
由虚线指示的传输距离特性432代表当磁场耦合电路200被安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处时取决于传输距离的传输效率的改变。在传输距离特性432中，从大约“30cm”到大约“50cm”的传输距离处的传输效率大约为40％，但是当传输距离增大到50cm以上时，传输效率降低。
由实线指示的传输距离特性832代表当磁场耦合电路200未被安装在共振元件130和330之间时取决于传输距离的传输效率的改变。在传输距离特性832中，从“10cm”到“20cm”的传输距离处的传输效率的减小量较小，但是当传输距离增大到“20cm”以上时，传输效率降低。如果传输距离大于“50cm”，则传输效率低于10％。
如上所述，即使在传输距离增大的情况下，相对于由实线指示的传输距离特性832，由虚线指示的传输距离特性432被抑制为较小的传输效率减小量。在传输距离特性832中，当传输距离变为“40cm”时，传输效率低于40％。但是，在传输距离特性432中，即使传输距离变为“50cm”，也能保持约40％的传输效率。因此，通过将磁场耦合电路200安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，共振元件130和330之间的传输效率可以被提高。也就是说，通过将磁场耦合电路200安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以保持某个传输效率的传输距离可以增大。这里，描述了一个磁场耦合电路200被安装在共振元件130和330之间的示例，但是也可以安装多个磁场耦合电路。在这种情况下，共振元件130和330之间的传输距离可以增大。
如上所述，在本发明的第一实施例中，通过将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间从而使得磁场耦合电路200的磁场方向大致与共振元件130和330的磁场方向处于同一线上，可以提高传输效率。另外，通过将磁场耦合电路200安装在传输距离的中点处，除了磁场耦合电路200的线圈轴线相对于共振元件130和330的线圈轴线倾斜90°时(如图2所示)以外，可以提高电力的传输效率。另外，将参考接下来的附图描述当磁场耦合电路200在磁场耦合电路200的线圈轴线相对于共振元件130和330的线圈轴线倾斜90°的状态中移动时传输效率的改变。
[共振元件的轴与磁场耦合电路的轴垂直的示例]
图6是示出当磁场耦合电路200的线圈轴线与共振元件130和330的线圈轴线垂直时传输效率的改变的示意图。这里，示出了激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200。这里，磁场耦合电路200在磁场耦合电路200的线圈轴线方向上从共振元件130和330之间的传输距离的中点位置开始移动。
在这种情况下，即使磁场耦合电路200被安装在中点位置处，如同图2的(b)中所示的传输特性414一样，共振元件130和330之间的传输效率几乎没有提高。但是，当磁场耦合电路200在磁场耦合电路200的线圈的轴线方向上从中点位置开始移动时，传输效率逐渐被提高。当磁场耦合电路200与中点位置之间的距离大于共振元件130和330之间的传输距离的一半距离时，传输效率降低。如上所述，通过从中点位置开始在磁场耦合电路200的磁场方向上移动磁场耦合电路200，共振元件130和330之间的电力传输的传输效率在某个范围内被提高。
这里，描述了共振元件130和330的线圈被布置在相同轴线上的示例。但是，即使共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330被布置为它们的线圈轴线相互平行，传输效率也被提高。因此，下面将参考附图给出当共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330被布置为它们的线圈轴线可以相互平行时传输效率的改变的描述。
<第二实施例>
[当共振元件和磁场耦合电路被布置为相互平行时传输效率的测量结果的示例]
图7是示出根据本发明的第二实施例的当磁场耦合电路200和共振元件130和330被布置为它们的轴线相互平行时传输效率的测量系统的概念性示意图。这里，示出了激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200。激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200与图2的(a)中所示的相同，所以将省略对它们的描述。
在这种情况下，共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330的线圈被布置为线圈的轴线相互平行。即，共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330被布置为由共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330生成的磁场的磁场方向相互平行。共振元件130和330之间的传输距离为“60cm”。
在这个测量系统中，磁场耦合电路200在共振元件130和330之间移动，并且当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“20cm”、“25cm”、“30cm”、“35cm”、以及“40cm”时的传输特性被测量。此时，磁场耦合电路200的线圈被设置得与共振元件130和330的线圈的轴线平行。接下来的附图中示出了这种情况中的测量结果。
图8的(a)和(b)是示出根据本发明的第二实施例的当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间移动时测量电力的传输效率的结果的示例的示意图。图8的(a)是示出图7中所示的测量系统中的共振元件130和330之间的传输特性的示意图。图8的(b)是示出当磁场耦合电路200在共振元件130和330之间移动时电力的传输效率的示意图。
在图8的(a)中，示出了共振元件130和330之间的传输特性511至515。垂直轴代表激励元件120和320之间的电力传输中的衰减量，并且水平轴代表频率。衰减量是以从频率发生器110供应到激励元件120的电信号的电力为基础的。
传输特性511至515是由图7中所示的测量系统测量得出的传输特性。传输特性511是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“20cm”时共振元件130和共振元件330之间的传输特性。传输特性511表现出在23.6MHz附近、共振频率fr附近、以及28.0MHz附近形成三个波峰的波形。传输特性511是相对于传输特性512至515具有最大衰减量的传输特性。
传输特性512是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“25cm”时的传输特性。传输特性512表现出在共振频率fr附近和26.7MHz附近的三个波峰的形状。传输特性512在共振频率fr处的衰减量大约比传输特性511小14dB。即，相对于传输特性511而言，传输特性512大大提高了传输效率。
传输特性513是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“30cm”时的传输特性。即，传输特性513是当磁场耦合电路200被布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处时的传输特性。传输特性513表现出在共振频率fr附近形成尖峰的波形。在这种情况下，衰减量在共振频率fr附近最小。即，通过将磁场耦合电路200安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，传输效率在共振频率fr附近变得最高。
传输特性514是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“35cm”时的传输特性。类似于传输特性512，传输特性514表现出在共振频率fr附近和26.7MHz附近的两个波峰的形状。传输特性514在共振频率fr处的衰减量大约比传输特性513大5dB。
传输特性515是当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“40cm”时共振元件130和共振元件330之间的传输特性。传输特性515表现出在24.1MHz附近、共振频率fr附近、以及27.9MHz附近形成三个波峰的波形。传输特性515在共振频率fr处的衰减量大约比传输特性514大15dB。
如上所述，可以理解，传输特性随着磁场耦合电路200在共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330被布置为它们的线圈轴线相互平行的情况中在共振元件130和330之间移动而改变。在这种情况下，当磁场耦合电路20越接近共振元件130和330之间的传输距离的中点位置时，共振频率fr附近的衰减量减少。所以，通过将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以使共振频率fr附近的衰减量最小化。
图8的(b)示出了代表共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离与基于图8的(a)中所示的共振频率fr所对应的衰减量的传输频率之间的关系的传输效率特性。垂直轴代表共振元件130和330之间的共振频率处的电力的传输效率，水平轴代表共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离。传输效率是以从频率发生器110供应到激励元件120的电信号的电力为基础的。
这里可以理解，当共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离为“30cm”时传输效率最高。也就是说，如上所述，通过将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以最大地提高电力的传输效率。所以，通过将共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330布置为它们的线圈轴线相互平行并且还将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以最大地提高传输效率。也就是说，通过使共振元件130和330具有与磁场耦合电路200相同的磁场方向并且将磁场耦合电路200布置在传输距离的中点处，可以最大地提高传输效率。
如上所述，根据第二实施例，通过将磁场耦合电路200布置在共振元件130和330之间从而使得可以生成大致与共振元件130和330的磁场方向相平行的磁场，可以提高传输效率。另外，在这种情况下，通过将磁场耦合电路200安装在共振元件130和330之间的传输距离的中点处，可以进一步提高共振元件130和330之间的电力传输的传输效率。因此，可以保持一定传输效率的共振元件130和330之间的传输距离可以增大。
另外，已描述了通过将磁场耦合电路200安装在共振元件130和330之间从而使得共振元件130和330之间产生磁场耦合的示例，但是磁场耦合电路200可以被如下所述地布置。
<3.第三实施例>
[磁场耦合电路被布置在共振元件周围的示例]
图9是示出根据本发明的第三实施例的共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330的布置示例的示意图。这里，示出了激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200。激励元件120和320、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200与图1中所示的相同并由相同的参考标号标识，所以将省略对它们的描述。
在这种情况下，共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330的线圈的方向被设置为共振元件130、磁场耦合电路200、以及共振元件330的线圈轴线可以相互平行。共振元件130和磁场耦合电路200被以特定间隔布置在与线圈的轴线相垂直的方向中，并且共振元件330以距离共振元件130和磁场耦合电路200之间的距离的中点预定间隔被布置在线圈的轴线方向中。电力接收设备300通过与共振元件130或者磁场耦合电路200的磁场共振来从电力供应设备100接收电力。
尽管磁场耦合电路200被布置在共振元件130和330周围，但是由于通过磁场共振引起的耦合发生在共振元件130和330与磁场耦合电路200之间，所以共振元件130和330之间的传输效率可以被提高。所以，由于获得电力的高传输效率的高效率区域500扩大了，所以共振元件330可以在高效率区域500中以恒定速率从共振元件130接收电力。
如上所述，根据本发明的实施例，通过安装磁场耦合电路200，可以提高共振元件130和330之间的电力传输的传输效率。下面将参考附图简要描述本发明的实施例的应用示例。
<4.第一至第三实施例的应用示例>
[应用于鼠标垫和鼠标的示例]
图10是示出当本发明的第一至第三实施例被应用于鼠标垫710和鼠标720时鼠标垫710和鼠标720的配置示例的框图。这里，示出了供应电力的鼠标垫710和从鼠标垫710接收电力的鼠标720。在这种配置中，在人手使鼠标720在鼠标垫710上移动时，代表鼠标720的位移量的移动信息被生成，并且所生成的移动信息被发送给鼠标垫710。然后，假设移动信息被鼠标垫710接收。在这个应用示例中，将集中描述共振元件130和330以及磁场耦合电路200的布置，并且剩下的配置将不在附图中示出。
鼠标垫710包括共振元件130和磁场耦合电路200。鼠标垫710对应于图1中所示的电力供应设备100。鼠标720包括共振元件330。鼠标720对应于图1中所示的电力接收设备300。尽管未示出，但是鼠标垫710包括图1中所示的频率发生器110和激励元件120。另外，鼠标720包括图1中所示的整流器电路310、激励元件220、以及负载电路340。这里，负载电路340测量位移量(该位移量是鼠标720的移动距离和方向)，并且生成测量结果作为移动信息。
共振元件130是具有电感和电容的元件，如参考图1所述的。共振元件130由螺旋形线圈(spiral coil)实现。共振元件130通过与磁场耦合电路200或者共振元件330的磁场共振进行耦合。
磁场耦合电路200包括四个共振元件201至204。共振元件201至204是具有电感和电容的元件并且由螺旋形线圈实现。共振元件201至204与共振元件130的线圈处于同一平面上，并且被分别布置在共振元件130的对角线上。共振元件201至204通过与共振元件130或者330的磁场共振被耦合。共振元件201至204与共振元件130和330具有大致相同的共振频率。磁场耦合电路200是权利要求的范围中所记载的磁场耦合电路200的示例。共振元件201至204是权利要求的范围中所记载的多个共振元件的示例。
共振元件330是具有电感和电容的螺旋形线圈，以上参考图1所述的。共振元件330通过与共振元件130或者磁场耦合电路200的磁场共振进行耦合将来自鼠标垫710的电力供应给鼠标720。
如上所述，通过将共振元件201至204安装在鼠标垫710中的共振元件130周围，共振元件330可以接收电力的区域可以被扩大。鼠标垫710是权利要求的范围中所记载的电力输出设备的示例。这里，描述了本发明的第一至第三实施例被应用于鼠标垫710和鼠标720的示例，但是本发明的第一至第三实施例也可以被应用于桌台和笔记本计算机。在这种情况下，共振元件130和磁场耦合电路200中的多个共振元件被安装在桌台内，并且共振元件330被安装在笔记本计算机内。所以，笔记本计算机可以通过桌台中的共振元件130和磁场耦合电路200与笔记本计算机中的共振元件330之间的磁场耦合，来接收由桌台供应的电力。
接下来，将描述当由于半导体器件的制造工艺的限制使得共振元件130和330之间的距离过长时本发明的实施例被应用的示例。
[当存在制造限制时的示例]
图11是示出当本发明的第一实施例被应用于半导体器件时半导体器件的层叠结构的截面图。这里，示出了共振元件130和330、磁场耦合电路200、衬底731至733、以及金属层741至743。这里假设，共振元件130和金属层741被形成在上部的衬底731上，金属层742被形成在中部的衬底732上，并且共振元件330和金属层743被形成在下部的衬底733上。在这种结构中，共振元件330从共振元件130接收电力，并且向金属层743供应所接收的电力。
在这种情况下，通过在共振元件130和330之间的金属层742上形成磁场耦合电路200，共振元件130和330之间的电力传输效率可以被提高。
图12是示出当本发明的第二实施例被应用于半导体器件时半导体器件的布局的示例的平面图。这里，示出了衬底730、共振元件130和330、以及磁场耦合电路200。这里假设，共振元件130和330由于制造限制而以一定的间隔相互分离地被形成在衬底730上。
在这种情况下，通过将磁场耦合电路200形成在共振元件130和330之间的中点处，可以提高共振元件130和330之间的电力传输效率。
本发明的实施例是用于实现本发明的示例，并且如上所述，与记载了权利要求范围中的各项的每个发明具有相互对应的关系。但是，本发明不限于以上实施例，并且可以在不脱离本发明的精神的范围内做出各种修改。
例如，本发明可以被广泛地应用于使用磁场共振来供应电力的电力传输系统、电力输出设备等。
参考标号列表
100 电力供应设备
110 频率发生器
120、320 激励元件
130、201至204、330 共振元件
200 磁场耦合电路
300 电力接收设备
310 整流器电路
340 负载电路
710 鼠标垫
720 鼠标
Claims (8)
1.一种电力传输系统，包括：
电力供应设备，该电力供应设备包括第一共振元件和频率发生器，所述第一共振元件具有电感和电容，所述频率发生器生成具有与由所述电感和所述电容确定的共振频率大致相同的频率分量的电信号的电力并且将所生成的电信号供应给所述第一共振元件；
磁场耦合电路，该磁场耦合电路通过与所述第一共振元件的磁场共振而被耦合；以及
电力接收设备，该电力接收设备包括第二共振元件，所述第二共振元件通过与所述磁场耦合电路的磁场共振来接收来自所述电力供应设备的电力。
2.根据权利要求1所述的电力传输系统，其中所述磁场耦合电路具有与由所述第一共振元件的电感和电容确定的所述共振频率大致相同的共振频率。
3.根据权利要求1所述的电力传输系统，其中所述磁场耦合电路在与所述第一共振元件和所述第二共振元件所生成的磁场的磁场方向大致相同的线上生成磁场。
4.根据权利要求1所述的电力传输系统，其中所述磁场耦合电路生成与所述第一共振元件和所述第二共振元件所生成的磁场的磁场方向大致平行的磁场。
5.根据权利要求1所述的电力传输系统，其中所述磁场耦合电路被放置在所述第一共振元件和所述第二共振元件之间的距离的中点处。
6.根据权利要求1所述的电力传输系统，其中所述磁场耦合电路包括具有电感和电容的多个共振元件。
7.根据权利要求1所述的电力传输系统，其中所述电力接收设备通过与所述第一共振元件或所述磁场耦合电路的磁场共振来接收来自所述电力供应设备的电力。
8.一种电力输出设备，包括：
共振元件，该共振元件具有电感和电容；
频率发生器，该频率发生器生成具有与由所述电感和所述电容确定的共振频率大致相同的频率分量的电信号的电力，并且将所生成的电信号供应给所述共振元件；以及
多个共振元件，所述多个共振元件具有与上述共振元件的共振频率大致相同的共振频率。
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