JP2014204469A - 無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の供給電力制御方法、及び、無線電力伝送装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】給電共振器22を備えた給電モジュール2から、受電共振器32を備えた受電モジュール3に対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置1の供給電力制御方法として、給電共振器22及び受電共振器32の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を設定して、被給電機器10に供給する電力を制御する。
【選択図】図2
Description
前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定して前記供給する電力を制御することを特徴としている。
前記給電共振器が有する共振周波数及び前記受電共振器が有する共振周波数を一致させた場合における、前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値、又は、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数の値を、電力伝送効率を規定する基準値とし、
当該基準値を含む所望の範囲で、前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定して前記供給する電力を制御することを特徴としている。
前記給電共振器が有する共振周波数は、前記給電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき調整されることを特徴としている。
これにより、給電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定し、もって供給する電力を調整することができる。
前記受電共振器が有する共振周波数は、前記受電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が大きくなる特性に基づき調整されることを特徴としている。
これにより、受電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定し、もって供給する電力を調整することができる。
前記給電共振器が有する共振周波数は、前記給電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が大きくなる特性に基づき調整されることを特徴としている。
これにより、給電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が大きくなる特性に基づき無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定し、もって供給する電力を調整することができる。
前記受電共振器が有する共振周波数は、前記受電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき調整されることを特徴としている。
これにより、受電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定し、もって供給する電力を調整することができる。
前記給電共振器が有する共振周波数及び前記受電共振器が有する共振周波数を一致させた場合における、前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値、又は、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数の値を、電力伝送効率を規定する基準値とし、
当該基準値を含む所望の範囲で、前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定して前記供給する電力を制御する工程を含むことを特徴としている。
まず、無線電力伝送装置の供給電力制御方法、及び、無線電力伝送装置の製造方法を説明する前に、供給電力制御方法又は製造方法によって設計・製造される無線電力伝送装置1について説明する。
無線電力伝送装置1は、図1に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を備える給電モジュール2と、受電コイル31及び受電共振器32を備える受電モジュール3とを備えている。そして、給電モジュール2の給電コイル21に、給電モジュール2に供給する電力の駆動周波数を所定の値に設定した発振回路を備えた交流電源6を接続し、受電モジュール3の受電コイル31に、受電された交流電力を整流化する安定回路7及び過充電を防止する充電回路8を介して充電池9を接続している。なお、電力の給電先となる安定回路7、充電回路8、及び、充電池9は、被給電機器10に相当する。
・・・(式1)
上記無線電力伝送装置1の構成を踏まえて、無線電力伝送装置1が供給する電力を調整する供給電力制御方法について説明する。
・・・(式2)
・・・(式3)
・・・(式4)
・・・(式5)
本実施形態では、給電共振器22が有する共振周波数と、受電共振器32が有する共振周波数とを一致させた場合の電力伝送効率を維持しつつ、給電共振器22及び受電共振器32が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とするために、給電共振器22が有する共振周波数と、受電共振器32が有する共振周波数とを一致させた場合における、給電モジュール2に供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値『S21』、又は、給電共振器22と受電共振器32との間の結合係数k23の値を、電力伝送効率を規定する基準値とし、更に、当該基準値を含む所望の範囲を設定し、当該基準値を含む所望の範囲内で、給電共振器22及び受電共振器32が有する共振周波数を変更可能とすることにより、給電共振器22及び受電共振器32が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能にする。そして、給電共振器22及び/又は受電共振器32が有する共振周波数を調整することにより、電力伝送効率を維持しつつ、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスの値を調整して被給電機器10に供給する電力を制御する。
実施例1で使用する無線電力伝送装置1は、R1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.5Ω、0.5Ω、0.5Ω、0.5Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、4.5μH、4.5μH、4.5μH、4.5μHに設定した。また、結合係数k12、k34をそれぞれ、0.189、0.189に設定した。また、給電共振器22における共振周波数を1.003MHzに設定(固定)した。そして、上記無線電力伝送装置1をネットワークアナライザ(本実施形態では、アジレント・テクノロジー株式会社製のE5061Bを使用)に接続して、受電共振器32が有する共振周波数を変えた場合における、給電共振器22と受電共振器32との間の結合係数k23、無線電力伝送装置1を双峰性の同相共振モードに設定したときの伝送特性『S21』(詳細は後述する)と入力インピーダンスZin、無線電力伝送装置1を双峰性の逆相共振モードに設定したときの伝送特性『S21』(詳細は後述する)と入力インピーダンスZinを測定する。
・・・(式6)
まず、伝送特性『S21』を基準値に設定し、同相共振モードにした場合について説明する。まず、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合における、無線電力伝送装置1を双峰性の同相共振モードに設定したときの伝送特性(図4のS21(dB)@fL参照)の値である−5.76dBを基準値とする。なお、図4及び図5(A)から、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合に、伝送特性の値が最も高くなり、電力伝送効率が最も良くなることが分かる。
次に、−5.76dBの基準値を含む所望の伝送特性の範囲を設定する(この所望の伝送特性の値は、被給電機器10の仕様等により自由に設定可能な値である)。これは、許容する電力伝送効率の範囲を設定することになる。本実施形態では、充電池9に給電する際の電力伝送効率に問題ない値として、−6.10dBを下限値とする。よって、基準値を含む所望の伝送特性の範囲は、−6.10〜−5.76dBに設定される。
そして、基準値を含む所望の伝送特性の範囲が、−6.10〜−5.76dBに設定されると、図4の「S21(dB)@fL」の項目と、「受電共振器(MHz)」の項目を参照して、受電共振器32の共振周波数の可変範囲は、0.978〜1.076MHzの範囲に決定されることになる。これにより、受電共振器32が有する共振周波数が、0.978〜1.076MHzの範囲内に納まる範囲で、受電共振器32が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とすることができる。
次に、伝送特性『S21』を基準値に設定し、逆相共振モードにした場合について説明する。まず、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合における、無線電力伝送装置1を双峰性の逆相共振モードに設定したときの伝送特性(図4のS21(dB)@fH参照)の値である−8.99dBを基準値とする。
次に、−8.99dBの基準値を含む所望の伝送特性の範囲を設定する(この所望の伝送特性の値は、被給電機器10の仕様等により自由に設定可能な値である)。これは、許容する電力伝送効率の範囲を設定することになる。本実施形態では、例えば、充電池9に給電する際の電力伝送効率に問題ない値として、−9.42dBを下限値とする。よって、基準値を含む所望の伝送特性の範囲は、−9.42〜−8.99dBに設定される。
そして、基準値を含む所望の伝送特性の範囲が、−9.42〜−8.99dBに設定されると、図4の「S21(dB)@fH」の項目と、「受電共振器(MHz)」の項目を参照して、受電共振器32の共振周波数の可変範囲は、0.978〜1.034MHzの範囲に決定されることになる。これにより、受電共振器32が有する共振周波数が、0.978〜1.034MHzの範囲内に納まる範囲で、受電共振器32が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とすることができる。
次に、結合係数k23を基準値に設定した場合について説明する。まず、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合における、給電共振器22と受電共振器32との間の結合係数k23(図4の結合係数k23参照)の値である0.189を基準値とする。
次に、0.189の基準値を含む所望の結合係数k23の範囲を設定する(この所望の結合係数k23の値は、被給電機器10の仕様等により自由に設定可能な値である)。これは、許容する電力伝送効率の範囲を設定することになる。本実施形態では、充電池9に給電する際の電力伝送効率に問題ない値として、基準値を含む所望の結合係数k23の範囲を、0.187を下限値とし、0.194を上限値とする。
そして、基準値を含む所望の結合係数k23の範囲が、0.187〜0.194に設定されると、図4の「結合係数k23」の項目と、「受電共振器(MHz)」の項目を参照して、受電共振器32の共振周波数の可変範囲は、0.957〜1.034MHzの範囲に決定されることになる。これにより、受電共振器32が有する共振周波数が、0.957〜1.034MHzの範囲内に納まる範囲で、受電共振器32が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とすることができる。
本実施例2で使用する無線電力伝送装置1は、実施例1で使用したものと同じである。本実施例2では、受電共振器32における共振周波数を1.003MHzに設定(固定)した。そして、実施例1同様に、無線電力伝送装置1をネットワークアナライザに接続して、給電共振器22が有する共振周波数を変えた場合における、給電共振器22と受電共振器32との間の結合係数k23、無線電力伝送装置1を双峰性の同相共振モードに設定したときの伝送特性『S21』と入力インピーダンスZin、無線電力伝送装置1を双峰性の逆相共振モードに設定したときの伝送特性『S21』と入力インピーダンスZinを測定する。
まず、伝送特性『S21』を基準値に設定し、同相共振モードにした場合について説明する。給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合における、無線電力伝送装置1を双峰性の同相共振モードに設定したときの伝送特性(図6のS21(dB)@fL参照)の値である−5.93dBを基準値とする。なお、図6及び図7(A)から、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合に、伝送特性の値が最も高くなり、電力伝送効率が最も良くなることが分かる。
次に、−5.93dBの基準値を含む所望の伝送特性の範囲を設定する(この所望の伝送特性の値は、被給電機器10の仕様等により自由に設定可能な値である)。これは、許容する電力伝送効率の範囲を設定することになる。本実施形態では、充電池9に給電する際の電力伝送効率に問題ない値として、−6.34dBを下限値とする。よって、基準値を含む所望の伝送特性の範囲は、−6.34〜−5.93dBに設定される。
そして、基準値を含む所望の伝送特性の範囲が、−6.34〜−5.93dBに設定されると、図6の「S21(dB)@fL」の項目と、「給電共振器(MHz)」の項目を参照して、給電共振器22の共振周波数の可変範囲は、0.957〜1.056MHzの範囲に決定されることになる。これにより、給電共振器22が有する共振周波数が、0.957〜1.056MHzの範囲内に納まる範囲で、給電共振器22が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とすることができる。
次に、伝送特性『S21』を基準値に設定し、逆相共振モードにした場合について説明する。まず、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合における、無線電力伝送装置1を双峰性の逆相共振モードに設定したときの伝送特性(図6のS21(dB)@fH参照)の値である−9.46dBを基準値とする。
次に、−9.46dBの基準値を含む所望の伝送特性の範囲を設定する(この所望の伝送特性の値は、被給電機器10の仕様等により自由に設定可能な値である)。これは、許容する電力伝送効率の範囲を設定することになる。本実施形態では、例えば、充電池9に給電する際の電力伝送効率に問題ない値として、−9.76dBを下限値とする。よって、基準値を含む所望の伝送特性の範囲は、−9.76〜−9.46dBに設定される。
そして、基準値を含む所望の伝送特性の範囲が、−9.76〜−9.46dBに設定されると、図6の「S21(dB)@fH」の項目と、「給電共振器(MHz)」の項目を参照して、給電共振器22の共振周波数の可変範囲は、0.978〜1.056MHzの範囲に決定されることになる。これにより、給電共振器22が有する共振周波数が、0.978〜1.056MHzの範囲内に納まる範囲で、給電共振器22が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とすることができる。
次に、結合係数k23を基準値に設定した場合について説明する。まず、給電共振器22が有する共振周波数、及び、受電共振器32が有する共振周波数を1.003MHzで一致させた場合における、給電共振器22と受電共振器32との間の結合係数k23(図6の結合係数k23参照)の値である0.188を基準値とする。
次に、0.188の基準値を含む所望の結合係数k23の範囲を設定する(この所望の結合係数k23の値は、被給電機器10の仕様等により自由に設定可能な値である)。これは、許容する電力伝送効率の範囲を設定することになる。本実施形態では、充電池9に給電する際の電力伝送効率に問題ない値として、基準値を含む所望の結合係数k23の範囲を、0.187を下限値とし、0.194を上限値とする。
そして、基準値を含む所望の結合係数k23の範囲が、0.187〜0.194に設定されると、図6の「結合係数k23」の項目と、「給電共振器(MHz)」の項目を参照して、給電共振器22の共振周波数の可変範囲は、0.957〜1.056MHzの範囲に決定されることになる。これにより、給電共振器22が有する共振周波数が、0.957〜1.056MHzの範囲内に納まる範囲で、給電共振器22が備えるRLC回路(共振回路)のインダクタンス、及び、コンデンサ容量を調整可能とすることができる。
なお、給電共振器22及び受電共振器32が有する共振周波数は、それぞれが備えるコイルのインダクタンスを変えることにより調整することも可能である。
次に、無線電力伝送装置1を製造する一工程である、設計方法(設計工程)について、図8及び図9を参照して説明する。本説明では、無線電力伝送装置1を搭載する携帯機器としてイヤホンスピーカ部200aを備えた無線式ヘッドセット200、及び、充電器201を例にして説明する(図8参照)。
まず、図9に示すように、充電池9の容量、及び、充電池9の充電に必要とされる充電電流から、受電モジュール3が受電する受電電力量が決まる(S1)。
上記製造方法の説明では、無線式ヘッドセット200を例示して説明したが、充電池を備えた機器であれば、タブレット型PC、デジタルカメラ、携帯電話、イヤホン型音楽プレイヤー、補聴器、集音器などにも使用することができる。
2 給電モジュール
3 受電モジュール
6 交流電源
7 安定回路
8 充電回路
9 充電池
10 被給電機器
21 給電コイル
22 給電共振器
31 受電コイル
32 受電共振器
200 無線式ヘッドセット
201 充電器
Claims (10)
- 給電共振器を備えた給電モジュールから、受電共振器を備えた受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の供給電力制御方法であって、
前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定して前記供給する電力を制御することを特徴とする無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 給電共振器を備えた給電モジュールから、受電共振器を備えた受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の供給電力制御方法であって、
前記給電共振器が有する共振周波数及び前記受電共振器が有する共振周波数を一致させた場合における、前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値、又は、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数の値を、電力伝送効率を規定する基準値とし、
当該基準値を含む所望の範囲で、前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定して前記供給する電力を制御することを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 少なくとも給電コイル及び給電共振器を備えた給電モジュールから、少なくとも受電共振器及び受電コイルを備えた受電モジュールに対して共振現象によって電力を供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。
- 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように、前記給電モジュール及び前記受電モジュールを構成する可変可能なパラメータを設定し、前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数を、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも低い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域に設定することにより、
前記給電共振器が有する共振周波数は、前記給電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき調整されることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように、前記給電モジュール及び前記受電モジュールを構成する可変可能なパラメータを設定し、前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数を、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも低い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域に設定することにより、
前記受電共振器が有する共振周波数は、前記受電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が大きくなる特性に基づき調整されることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように、前記給電モジュール及び前記受電モジュールを構成する可変可能なパラメータを設定し、前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数を、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域に設定することにより、
前記給電共振器が有する共振周波数は、前記給電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が大きくなる特性に基づき調整されることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように、前記給電モジュール及び前記受電モジュールを構成する可変可能なパラメータを設定し、前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数を、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域に設定することにより、
前記受電共振器が有する共振周波数は、前記受電共振器が有する共振周波数が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が小さくなる特性に基づき調整されることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 前記給電共振器及び前記受電共振器はコンデンサを備え、
前記給電共振器及び前記受電共振器が有する共振周波数は、それぞれの前記コンデンサの容量を変えることにより調整されることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の無線電力伝送装置の供給電力制御方法。 - 請求項1〜8の何れかに記載の供給電力制御方法により調整されたことを特徴とする無線電力伝送装置。
- 給電共振器を備えた給電モジュールから、受電共振器を備えた受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の製造方法であって、
前記給電共振器が有する共振周波数及び前記受電共振器が有する共振周波数を一致させた場合における、前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値、又は、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数の値を、電力伝送効率を規定する基準値とし、
当該基準値を含む所望の範囲で、前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも一方が有する共振周波数を調整することにより、当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を設定して前記供給する電力を制御する工程を含むことを特徴とする無線電力伝送装置の製造方法。
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