JP2013510550A - ロードインピーダンス決定装置とその方法、無線電力伝送装置とその方法、及び電力が無線伝送される端末機 - Google Patents

ロードインピーダンス決定装置とその方法、無線電力伝送装置とその方法、及び電力が無線伝送される端末機 Download PDF

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Abstract

ロードインピーダンス決定装置、無線電力伝送装置、及びその方法を開示する。本発明の実施形態によれば、2つの共振器間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定して、前記距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定することにより、2つの共振器間の距離が変化する場合にも別途のマッチング回路なしで高い電力伝送効率を維持することができる。また、ロードインピーダンスを決定する場合、テスト電力を伝送してテスト電力の伝送効率によりロードインピーダンスを制御(再決定)して、電力は電源共振器から対象共振器に向かって無線伝送される。
【選択図】図4

Description

以下の記述は、ロードインピーダンス決定装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送方法を係り、より具体的には、電源(source)共振器と対象(target)共振器との間の距離に変化がある場合にも、電源共振器から対象共振器への高い電力伝送効率を有する無線電力伝送技術に関する。
近年になり、IT技術の発展と共に携帯用電子製品が益々大量に発売、普及している。多様な携帯用電子製品の特性上、該当携帯用電子製品のバッテリ性能が重要な問題として浮上している。携帯用電子製品だけでなく家電製品は、データを無線で送信する能力を有するが、その電力は有線の電力線を介して例えばコンセントに差し込むことにより受け取っている。
近年になり、無線で電力を供給する無線電力伝送技術が研究されている。無線環境の特性上、電源共振器と対象共振器との間の距離が時間によって変化し、両共振器のマッチングの条件もまた変化する場合がある。
本発明の課題は、このような、電源共振器と対象共振器の一方又は双方の位置が可変な状況でも無線伝送の効率を向上できる新しい方案を提示することである。
本発明の一般的一側面に係るロードインピーダンス決定装置は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する測定部と、前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定する決定部とを含む。
本発明の他の一側面に係る無線電力伝送装置は、ロードインピーダンス決定部と、前記ロードインピーダンス決定部で決定したロードインピーダンスと共役になる(conjugated)ように前記無線電力伝送装置のインピーダンスを変更する変更部とを含み、前記ロードインピーダンス決定部は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する測定部と、前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いて前記ロードインピーダンスを決定する決定部とを含む。
本発明の一側面に係る電力が無線伝送される端末機は、ロードインピーダンス決定部と、前記ロードインピーダンス決定部で決定したロードインピーダンスと整合する(match)ように前記端末機のインピーダンスを変更する変更部とを含み、前記ロードインピーダンス決定部は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する測定部と、前記距離を用いて前記ロードインピーダンスを決定する決定部とを含む。
本発明の一側面に係るロードインピーダンス決定方法は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定するステップと、前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定するステップとを含む。
本発明の一側面に係る無線電力伝送方法は、ロードインピーダンスを決定するステップと、前記ロードインピーダンスを決定する前記ステップで決定したロードインピーダンスと共役になるようにインピーダンスを変更するステップとを含み、前記ロードインピーダンスを決定する前記ステップは、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定するステップと、前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いて前記ロードインピーダンスを決定するステップとを含む。
本発明によれば、2つの共振器間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定して、前記距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定するので、2つの共振器間の距離が変化する場合にも別途のマッチング回路(matching circuit)なしで高い電力伝送効率を維持できる。
本発明によれば、ロードインピーダンスが決定された場合、テスト電力を伝送し、そのテスト電力の伝送効率の測定結果によりロードインピーダンスを再決定するか、又は電力を無線伝送するように制御するので、電力の浪費なく高い電力伝送効率を実現できる。
本発明の一実施形態に係る無線電力伝送装置から端末機に電力を無線伝送する一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るロードインピーダンス決定装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電源共振器、対象共振器及びロードインピーダンスからなる構成と、そのZ行列を示す図である。 本発明の一実施形態に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る端末機の構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係るロードインピーダンス決定方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る無線電力伝送方法のフローチャートである。
以下にて、本発明に係る実施形態を添付する図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明がこれらの実施形態によって制限又は限定されることはない。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を示す。
図1は、本発明の一実施形態に係る無線電力伝送装置から端末機に電力を無線伝送する一例を示す図である。
図1を参照すると、一実施形態に係る無線電力伝送装置110は、端末機120に電力を無線伝送する。無線電力伝送装置110は電源共振器(source resonator)111を含み、端末機120は対象共振器(target resonator)121を含む。無線電力伝送装置110は、携帯型装置に搭載してもよい。
図2は、本発明の一実施形態に係るロードインピーダンス決定装置の構成を示す図である。
図2を参照すると、一実施形態に係るロードインピーダンス決定装置200は、測定部201及び決定部202を含む。
測定部201は、電源共振器210と対象共振器220との間の距離d(211)及び角度θ(212)のうち少なくとも1つを測定する。
実施形態によっては、測定部201は光を利用した距離センサ又は超音波を利用した距離センサを含み、光を利用した距離センサ又は超音波を利用した距離センサを用いて距離d(211)を測定してもよい。
角度θ(212)は、電源共振器210を基準とした対象共振器220の傾き(tilt)角である。
決定部202は、測定部201が測定した距離d(211)及び角度θ(212)のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンス(load impedance、Z)を決定する。
決定部202は、無線電力伝送装置から端末機に最大電力が伝送されるようにロードインピーダンスを決定できる。以下、図3を参照しながら本発明の一実施携帯に係るロードインピーダンスを決定する方法を詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る電源共振器、対象共振器及びロードインピーダンスからなる構成と、そのZ行列(Z−matrix)を示す図である。
図3を参照すると、図面符号310は電源共振器311、対象共振器312及びロードインピーダンスZ(313)の構成を示す。電源共振器311及び対象共振器312は角度θ(316)及び距離d(315)だけ離れていて、対象共振器312はロードインピーダンスZ(313)と連結されている。
in(314)は、電力を供給するソース(source)端である無線電力伝送装置から見た入力インピーダンス(input impedance)である。
図面符号320は、図面符号310の構成に対するZ行列を示す。図面符号320において、Z11は電源共振器311のインピーダンスを、Z12は電源共振器311と対象共振器312との間のインピーダンスを、Z22は対象共振器312のインピーダンスを示す。
以下、一実施形態に係る無線電力伝送装置から端末機に最大電力が伝送されるようにするロードインピーダンスを決定する方法を説明する。
inを決定するために次の数式(1)を使用できる。
Figure 2013510550
前記数式(1)におて、Zは図面符号321の破線内に含まれるインピーダンスの合計を示す。また、Zは図面符号322の破線内に含まれるインピーダンスの合計を示す。
無線電力伝送装置が供給する入力パワーPin(input power)は、次の数式(2)のように表示できる。
Figure 2013510550
前記数式(2)において、Iinは図面符号320のZ行列において、電力を供給するソース端の無線電力伝送装置から流れる電流である。
無線電力伝送装置が供給する入力パワーPinのうちロード(load)に伝えられるパワーPは次の数式(3)のように示すことができる。
Figure 2013510550
前記数式(2)及び数式(3)から、パワー伝送効率PTE(power transfer efficiency)は、次の数式(4)のように示すことができる。
Figure 2013510550
最大電力が伝送されるようにするロードインピーダンスZは、次の数式(5)を用いて決定できる。
Figure 2013510550
前記数式(5)を満たす最大電力が伝送されるようにするロードインピーダンスZを最適のロードインピーダンスZ opt(optimum load impedance)で示すことができ、最適のロードインピーダンスZ opt及び最大電力を伝送する時のパワー伝送効率のPTEmaxは次の数式(6)で表すことができる。
Figure 2013510550
ただし、上記数式(6)において、Xは次の数式(7)で表わされる。
Figure 2013510550
前記数式(7)において、dは電源共振器311及び対象共振器312の間の距離d(315)を示す。
また、θは電源共振器311と対象共振器312との間の角度θ(316)を示す。
即ち、本発明の一実施形態に係るロードインピーダンス決定装置の測定部は、電源共振器311及び対象共振器312の間の距離d(315)及び角度θ(316)を測定する。
また、決定部は前記測定した距離d(315)及び角度θ(316)を用いて数式(6)のような最大電力が伝送されるようにするロードインピーダンスZを決定する。
図4は、本発明の一実施形態に係る無線電力伝送装置の構成を示す図である。
図4を参照すると、無線電力伝送装置400は、ロードインピーダンス決定部410及び変更部420を含む。
ロードインピーダンス決定部410は、測定部411及び決定部412を含む。
測定部411は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定してもよい。決定部412は、測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定する。
図2及び図3を参照したロードインピーダンス決定装置に対する説明は、ロードインピーダンス決定部410にも同様に適用できる。従って、ロードインピーダンス決定部410に対するさらなる説明は、省略する。
変更部420は、ロードインピーダンス決定部410で決定したロードインピーダンスと共役になる(conjugated)ように無線電力伝送装置400のインピーダンスを変更する。実施形態によっては、変更部420は可変(tunable)の抵抗、インダクタ及びキャパシタを用いて無線電力伝送装置400のインピーダンスを変更する。
一実施形態に係る無線電力伝送装置400は、テスト部440及び制御部450をさらに含む。
テスト部440は、変更部420が変更したインピーダンスを用いて、テスト電力を伝送する。テスト電力量は、予め定めるか、又は外部から入力される。
制御部450は、テスト電力を伝送した伝送効率が基準値未満の場合、ロードインピーダンスを再び決定するようにロードインピーダンス決定部410を制御し、伝送効率が基準値以上の場合、変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する。基準値は、予め定めるか、又は外部から入力される。実施形態によっては、伝送効率が基準値未満の場合、制御部450はテスト電力の伝送を中断する。
本発明の一実施形態によれば、伝送信号の反射波のパワーを測定することによって伝送効率を判断する。伝送信号は、電源共振器から対象共振器に電力を無線伝送するための信号である。反射波は、伝送信号の一部が反射(reflection)されて戻ってくる信号である。
例えば、反射波のパワーが基準値以下の場合、相当多量の電力が対象共振器に伝送されたことを意味するから、制御部450は伝送効率が基準値以上のものとして変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する。また、逆に反射波のパワーが基準値超過の場合、少量の電力が対象共振器に伝送されたことを意味するから、制御部450は伝送効率が基準値未満のものとしてロードインピーダンスを再び決定するようにロードインピーダンス決定部410を制御する。制御部450は、例えば反射波のパワーを測定するパワー検出器(power detector)を含み、そのパワー検出器を用いて反射波340のパワーを測定する。
あるいは、伝送信号の反射波の振幅を測定することによって伝送効率を判断する。例えば、反射波の振幅が基準値以下の場合、電力が少量だけ反射された状態、即ち、相当多量の電力が対象共振器に伝送された状態を意味するから、制御部450は伝送効率が基準値以上のものとして変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する。
また逆に、反射波の振幅が基準値超過の場合、相当多量の電力が反射された状態、即ち、相当少量の電力が対象共振器に伝送された状態を意味するから、制御部450は伝送効率が基準値未満のものとしてロードインピーダンスを再び決定するようにロードインピーダンス決定部410を制御する。
一実施形態に係る無線電力伝送装置400は、送信部430をさらに含む。
送信部430は、ロードインピーダンス決定部410で決定したロードインピーダンスに関する情報を端末機に送信する。送信部430がロードインピーダンスに関する情報を端末機に送信することによって、端末機はロードインピーダンスと整合(match)するように端末機のインピーダンスを変更できる。
図5は、本発明の一実施形態に係る電力が無線伝送される端末機の構造を示す図である。
図5を参照すると、本発明の一実施形態に係る電力が無線伝送される端末機500は、ロードインピーダンス決定部510及び変更部520を含む。
ロードインピーダンス決定部510は、測定部511及び決定部512を含む。
測定部511は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する。決定部512は、測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定する。
図2及び図3を参照したロードインピーダンス決定装置に対する説明は、ロードインピーダンス決定部510にも同様に適用できる。従って、ロードインピーダンス決定部510に対するさらなる説明は、省略する。
変更部520は、ロードインピーダンス決定部510で決定したロードインピーダンスと整合するように電力が無線伝送される端末機500のインピーダンスを変更する。実施形態によっては、変更部520は、可変(tunable)の抵抗、インダクタ及びキャパシタを用いて電力が無線伝送される端末機500のインピーダンスを変更する。
一実施形態に係る電力が無線伝送される端末機500は、信号送信部540及び制御部550をさらに含む。
信号送信部540は、電力が無線伝送される端末機500のインピーダンスを変更部520が変更した後、無線電力伝送装置にテスト電力を要請する信号を送信する。テスト電力量は予め定めるか、又は外部から入力される。
制御部550は、テスト電力の伝送効率が基準値未満の場合、ロードインピーダンスを再び決定するようにロードインピーダンス決定部510を制御し、伝送効率が基準値以上の場合、無線電力伝送装置に電力を無線伝送するように信号を送信する。基準値は、予め定めるか、又は外部から入力される。実施形態によっては、伝送効率が基準値未満の場合、制御部550はテスト電力の伝送を中断する信号を送信するように信号送信部540を制御する。
一実施形態に係る、電力が無線伝送される端末機500は、送信部530をさらに含む。
送信部530は、ロードインピーダンス決定部510で決定したロードインピーダンスに関する情報を無線電力伝送装置に送信する。送信部530がロードインピーダンスに関する情報を無線電力伝送装置に送信することによって、無線電力伝送装置はロードインピーダンスと共役になるように無線電力伝送装置のインピーダンスを変更する。
図6は、本発明の一実施形態に係るロードインピーダンス決定方法のフローチャートである。
図6を参照すると、本発明の一実施形態に係るロードインピーダンス決定方法は、電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する(S610)。
一実施形態においては、ステップS610では、光を利用した距離センサ又は超音波を利用した距離センサを用いて電源共振器と対象共振器との間の距離を測定する。角度は電源共振器を基準とし場合に対象共振器が位置する角度を表わす。
また、測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定する(S620)。
ステップS620では、無線電力伝送装置から端末機に最大電力が伝送されるようにロードインピーダンスを決定する。本発明の一実施携帯に係るロードインピーダンスを決定する方法は、図3を参照して詳細に説明したので、さらなる説明を省略する。
図7は、本発明の一実施形態に係る無線電力伝送方法のフローチャートである。
図7を参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力伝送方法は、ロードインピーダンスを決定する(S710)。
図2及び図3を参照したロードインピーダンス決定装置に対する説明は、ロードインピーダンスを決定するステップS710にも同様に適用できる。従って、ロードインピーダンスを決定するステップS710に対する、さらなる説明は省略する。
また、ステップS710で決定したロードインピーダンスと共役になるようにインピーダンスを変更する(S720)。実施形態によっては、可変(tunable)の抵抗、インダクタ及びキャパシタを用いてインピーダンスを変更する。
一実施形態に係る無線電力伝送方法では、テスト電力を伝送するステップ(図示せず)及び電力伝送を制御するステップ(図示せず)をさらに含む。
テスト電力を伝送するステップは変更したインピーダンスを用いて、テスト電力を伝送する。テスト電力量は予め定めるか、又は外部から入力される。
電力伝送を制御するステップは、テスト電力の伝送効率が基準値未満の場合、ロードインピーダンスを再び決定するように制御し、伝送効率が基準値以上の場合、変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する。基準値は、予め定めるか、又は外部から入力される。実施形態によっては、伝送効率が基準値未満の場合、テスト電力の伝送を中断する。
本発明の一側面によれば、伝送信号の反射波のパワーを測定することによって伝送効率を判断する。伝送信号は、電源共振器から対象共振器に電力を無線伝送するための信号である。反射波は、伝送信号の一部が反射して戻ってくる信号である。
例えば、反射波のパワーが基準値以下の場合、電力が少量だけ反射された状態、即ち、相当多量の電力が対象共振器に伝送された状態を意味するから、伝送効率が基準値以上のものとして変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する。
また逆に、反射波のパワーが基準値超過の場合、電力が相当多量に反射された状態、即ち、少量の電力だけが対象共振器に伝送され多情体を意味するから、伝送効率が基準値未満のものとしてロードインピーダンスを再び決定するように制御する。例えば、反射波のパワーを測定するように構成されたパワー検出器を用いて反射波のパワーを測定する。
あるいは、伝送信号の反射波の振幅を測定することによって伝送効率を判断する。例えば、反射波の振幅が基準値以下の場合、電力が少量だけ反射された状態、即ち、相当多量の電力が対象共振器に伝送された状態を意味するから、伝送効率が基準値以上のものとして変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する。
また逆に、反射波の振幅が基準値超過の場合、相当多量の電力がが反射された状態、即ち、少量の電力だけが対象共振器に伝送された状態を意味するから、伝送効率が基準値未満のものとしてロードインピーダンスを再び決定するように制御してもよい。
一実施形態に係る無線電力伝送方法は、決定したロードインピーダンスに関する情報を端末機に送信するステップ(図示せず)をさらに含む。これによって、端末機はロードインピーダンスと整合するように端末機のインピーダンスを変更してもよい。
上述したように本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。
従って、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。
110 無線電力伝送装置
111 電源共振器
120 端末機
121 対象共振器
200 ロードインピーダンス決定装置
201 測定部
202 決定部
211、315 (電源共振器と対象共振器との間の)距離d
212、316 (電源共振器と対象共振器との間の)角度θ
310 (本発明の無線電力伝送に係る)構成
311 電源共振器
312 対象共振器
313 ロードインピーダンスZ
320 Z行列
321、322 破線
400 無線電力伝送装置
410 ロードインピーダンス決定部
411 測定部
412 決定部
420 変更部
430 送信部
440 テスト部
450 制御部
500 無線電力伝送装置
510 ロードインピーダンス決定部
511 測定部
512 決定部
520 変更部
530 送信部
540 信号送信部
550 制御部

Claims (11)

  1. 電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する測定部と、
    前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定する決定部と、
    を含むことを特徴とするロードインピーダンス決定装置。
  2. 無線電力伝送装置において、
    ロードインピーダンス決定部と、
    前記ロードインピーダンス決定部で決定したロードインピーダンスと共役になる(conjugated)ように前記無線電力伝送装置のインピーダンスを変更する変更部と、
    を含み、
    前記ロードインピーダンス決定部は、
    電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する測定部と、
    前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いて前記ロードインピーダンスを決定する決定部と、
    を含むことを特徴とする無線電力伝送装置。
  3. 前記ロードインピーダンス決定部で決定した前記ロードインピーダンスに関する情報を端末機に送信する送信部をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置。
  4. 前記変更部は、
    可変の抵抗、インダクタ及びキャパシタを用いて前記インピーダンスを変更することを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置。
  5. 前記変更したインピーダンスを用いて、テスト電力を伝送するテスト部と、
    前記テスト電力を伝送した伝送効率が基準値未満の場合、前記ロードインピーダンスを再び決定するように前記ロードインピーダンス決定部を制御し、前記伝送効率が前記基準値以上の場合、前記変更したインピーダンスを用いて電力を無線伝送するように制御する制御部と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置。
  6. 電力が無線伝送される端末機において、
    ロードインピーダンス決定部と、
    前記ロードインピーダンス決定部で決定したロードインピーダンスと整合する(match)ように前記端末機のインピーダンスを変更する変更部と、
    を含み、
    前記ロードインピーダンス決定部は、
    電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定する測定部と、
    前記距離を用いて前記ロードインピーダンスを決定する決定部と、
    を含むことを特徴とする電力が無線伝送される端末機。
  7. 前記ロードインピーダンス決定部で決定したロードインピーダンスに関する情報を無線電力伝送装置に送信する送信部をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の電力が無線伝送される端末機。
  8. 前記変更部は、
    可変の抵抗、インダクタ及びキャパシタを用いて前記インピーダンスを変更することを特徴とする請求項6に記載の電力が無線伝送される端末機。
  9. 前記変更部が前記インピーダンスを変更した後、無線電力伝送装置にテスト電力を要請する信号を送信する信号送信部と、
    前記テスト電力の伝送を受けた際の伝送効率が基準値未満の場合、前記ロードインピーダンスを再び決定するように前記ロードインピーダンス決定部を制御し、前記伝送効率が前記基準値以上の場合、前記無線電力伝送装置に電力を無線伝送するように信号を送信する制御部と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の電力が無線伝送される端末機。
  10. 電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定するステップと、
    前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いてロードインピーダンスを決定するステップと、
    を含むことを特徴とするロードインピーダンス決定方法。
  11. 無線電力伝送方法において、
    ロードインピーダンスを決定するステップと、
    前記ロードインピーダンスを決定する前記ステップで決定したロードインピーダンスと共役になるようにインピーダンスを変更するステップと、
    を含み、
    前記ロードインピーダンスを決定する前記ステップは、
    電源共振器と対象共振器との間の距離及び角度のうち少なくとも1つを測定するステップと、
    前記測定した距離及び角度のうち少なくとも1つを用いて前記ロードインピーダンスを決定するステップと、
    を含むことを特徴とする無線電力伝送方法。
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