KR20140051140A - 무선 전력 공급 시스템 - Google Patents

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KR20140051140A
KR20140051140A KR1020137023263A KR20137023263A KR20140051140A KR 20140051140 A KR20140051140 A KR 20140051140A KR 1020137023263 A KR1020137023263 A KR 1020137023263A KR 20137023263 A KR20137023263 A KR 20137023263A KR 20140051140 A KR20140051140 A KR 20140051140A
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다케조 하타나카
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

종래와는 전혀 상이한 시점에 선 자계 공명 상태를 이용한 무선 전력 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하여, 무선 전력 공급 시스템(101)에 있어서, 급전 공진기(102)와 수전 공진기(103)를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되는 급전 공진기(102)와 수전 공진기(103)의 위치 관계(거리 C)를 전력 공급 범위 F로 하고 있다. 이렇게 함으로써, 상기 위치 관계를 유지한 전력 공급 범위 F만큼 소정의 유효 전력을 송전할 수 있다. 한편, 수전 공진기(103)가 당해 전력 공급 범위 F를 벗어난 경우에는, 전력은 송전되지 않는다.

Description

무선 전력 공급 시스템 {WIRELESS POWER-SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 자계 공명 상태를 창출함으로써 비접촉으로 전력을 송전하는 무선 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
종래, 무선에 의한 전력 공급 기술로서는, 전자 유도를 이용한 기술, 전파를 이용한 기술이 알려져 있다. 이것에 부가해서, 최근 들어, 자계 공명 상태를 이용한 무선 전력 공급 기술이 제안되어 있다.
이 자계 공명 상태(자기 공명, 자장 공명, 자계 공진이라고도 불림)를 이용한 전력 공급 기술은, 공진하는 2개의 공진기 사이에서 자장을 결합시킴으로써, 에너지(전력)의 송전을 가능하게 하는 기술이다. 이러한 자계 공명 상태를 이용한 무선 전력 공급 기술에 의하면, 전자 유도를 이용한 무선 전력 공급 기술에 비하여, 에너지(전력)의 송전 거리를 길게 할 수 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 송전 공진 코일과 수전 공진 코일 사이의 거리가 변동된 경우에도, 송전 공진 코일의 공진 주파수 및 수전 공진 코일의 공진 주파수를 변경함으로써, 송전 공진 코일과 수전 공진 코일 사이의 결합 강도를 차차 변경하여 공명 상태를 유지함으로써 송전 장치로부터 수전 장치로의 전력의 송전 효율의 저하를 방지할 수 있는 무선 전력 공급 시스템이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 송전 코일과 수전 코일의 결합 강도를 변화시킴으로써, 장치 전체의 송전 효율을 높일 수 있는 무선 전력 장치가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 급전 코일과 급전 코일 사이에 급전측 공명 코일과 수전측 공명 코일을 설치하여 비접촉으로 전력을 공급하는 급전 시스템에 있어서, 급전측 공명 코일과 수전측 공명 코일의 거리가 변화되어도 전력 공급 효율을 유지 또는 향상할 수 있는 급전 시스템이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2010-239769호 일본 특허 공개 제2010-239777호 일본 특허 공개 제2010-124522호
이와 같이, 최근에, 각 문헌 1 내지 3에 있어서도 개시되어 있는 바와 같이, 자계 공명 상태를 이용한 무선 전력 공급 기술이 주목받고 있고, 이 자계 공명 상태를 이용한 새로운 전력 공급 시스템이 요망되고 있다.
그래서, 본 발명의 목적은, 종래와는 전혀 상이한 시점에 선 자계 공명 상태를 이용한 무선 전력 공급 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 급전 공진기와 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되는 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기의 위치 관계를 전력 공급 범위로 한 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 시스템이다.
상기의 구성에 의하면, 급전 공진기와 수전 공진기의 위치 관계를, 급전 공진기와 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되도록 설정함으로써, 급전 공진기와 수전 공진기가 상기 위치 관계에 놓였을 때만, 전력 공급 범위로서 소정의 유효 전력을 송전할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 전력을 공급하는 전력 공급부와, 상기 전력 공급부로부터 공급된 상기 전력을 자계 에너지로서 송전하는 급전 공진기와, 상기 급전 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖고, 상기 급전 공진기로부터 송전된 상기 자계 에너지를 전력으로서 수전하는 수전 공진기와, 상기 수전 공진기가 수전한 상기 전력이 출력되고, 당해 전력이 소정의 유효 전력 이상일 때 작동하는 전력 수급부를 구비한 무선 전력 공급 시스템으로서, 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기의 위치 관계는, 상기 공진 주파수의 대역에 있어서, 상기 급전 공진기에 공급되는 전력에 대한 상기 전력 수급부에 출력되는 전력의 비율이 상기 유효 전력 이상으로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기의 구성에 의하면, 급전 공진기 및 수전 공진기를 공진 주파수에 있어서 동조시켜서, 급전 공진기와 수전 공진기 사이에 자계 공명 상태를 창출함으로써, 전력 공급부로부터 공급된 전력을 자계 에너지로서 급전 공진기로부터 수전 공진기에 무선에 의해 송전할 수 있다. 그리고, 전력 수급부는, 그 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상일 때 작동할 수 있다.
그리고, 급전 공진기와 수전 공진기의 위치 관계를, 공진 주파수의 대역에 있어서, 급전 공진기에 공급되는 전력에 대한 전력 수급부에 출력되는 전력의 비율이 유효 전력 이상으로 되도록 설정함으로써, 당해 위치 관계에서는 수전 공진기는 고효율로 유효 전력을 수전할 수 있다. 한편, 수전 공진기가 당해 위치 관계를 벗어난 위치에 놓여진 경우, 수전 공진기의 수전 효율은 저하하여 소정의 유효 전력을 수전할 수 없다. 이와 같이 함으로써, 급전 공진기와 수전 공진기가 상기 위치 관계에 놓였을 때만, 전력 수급부가 작동하는 데 필요한 유효 전력이 당해 전력 수급부에 출력되게 된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 공급 시스템에 있어서, 상기 급전 공진기는, 상기 전력 공급부에 접속된 급전 코일과 급전 공진 코일을 갖고, 상기 수전 공진기는, 상기 전력 수급부에 접속된 수전 코일과 수전 공진 코일을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
상기의 구성에 의하면, 급전 코일과 급전 공진 코일 사이에 있어서, 자계 공명 상태를 창출하지 않고 전자 유도를 사용함으로써, 급전 코일로부터 급전 공진 코일에 전력을 송전할 수 있다. 또한, 마찬가지로, 수전 공진 코일과 수전 코일 사이에 있어서, 자계 공명 상태를 창출하지 않고 전자 유도를 사용함으로써, 수전 공진 코일로부터 수전 코일에 전력을 송전할 수 있다. 이에 의해, 급전 코일과 급전 공진 코일 사이 및 수전 공진 코일과 수전 코일 사이에 있어서 공진 주파수로 동조시킬 필요가 없어지므로 설계의 간이화가 도모된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 공급 시스템에 있어서, 상기 급전 코일과 상기 급전 공진 코일 사이의 제1 거리, 및 상기 수전 공진 코일과 상기 수전 코일 사이의 제2 거리 중 적어도 하나를 자유롭게 설정 가능한 것을 특징으로 하고 있다.
상기의 구성에 의하면, 급전 코일과 급전 공진 코일 사이의 제1 거리, 및 수전 공진 코일과 수전 코일 사이의 제2 거리 중 적어도 하나를 원하는 값으로 설정함으로써, 공진 주파수의 대역에 있어서, 급전 공진 코일에 공급되는 전력에 대한 전력 수급부에 출력되는 전력의 비율이 유효 전력 이상으로 되는 위치를 자유롭게 설정할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 급전 공진기와 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되는 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기의 위치 관계를 전력 공급 범위로 한 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 방법이다.
상기의 방법에 의하면, 급전 공진기와 수전 공진기의 위치 관계를, 급전 공진기와 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되도록 설정함으로써, 급전 공진기와 수전 공진기가 상기 위치 관계에 놓였을 때만, 전력 공급 범위로서 소정의 유효 전력을 송전할 수 있다.
종래와는 전혀 상이한 시점에 선 자계 공명 상태를 이용한 무선 전력 공급 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 설명도.
도 2는 실시예 1에 따른 무선 전력 공급 시스템의 개략적인 구성도.
도 3은 급전 공진 코일과 수전 공진 코일 사이의 거리 C를 변동시킨 경우에 있어서의 삽입 손실의 측정 결과를 도시한 도면.
도 4는 급전 공진 코일과 수전 공진 코일 사이의 거리 C를 변동시킨 경우의 송전 효율을, 청색 LED의 발광 상태에 의해 설명한 설명도.
도 5는 실시 형태 1에 따른 무선 전력 공급 시스템의 설명도.
도 6은 실시예 2에 따른 무선 전력 공급 시스템의 개략적인 구성도.
도 7은 급전 코일과 급전 공진 코일 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일과 수전 코일 사이의 거리 B를 바꾼 경우에 있어서의 송전 효율이 최대가 되는 거리 C에 대하여 설명한 설명도.
도 8은 실시 형태 2에 따른 무선 전력 공급 시스템의 설명도.
도 9는 실시 형태 3에 따른 무선 전력 공급 시스템의 설명도.
우선, 이하에 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템 및 무선 전력 공급 방법의 개요를 도 1에 기초하여 설명한다.
본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템(101)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 급전 공진기(102)와 수전 공진기(103)를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되는 상기 급전 공진기(102)와 상기 수전 공진기(103)의 위치 관계(거리 C)를 전력 공급 범위 F로 하고 있다.
여기서, 급전 공진기(102) 및 수전 공진기(103)는, 예를 들어 코일을 사용한 공진기로, 스파이럴형이나 솔레노이드형이나 루프형 등의 코일을 들 수 있다. 공진이란, 급전 공진기(102) 및 수전 공진기(103)가 공진 주파수에 있어서 동조하는 것을 말한다(예를 들어, 교류 전원(106)으로부터, 급전 공진기(102) 및 수전 공진기(103)가 갖는 공진 주파수와 동일한 주파수의 전력이 출력됨으로써 실현됨). 소정의 유효 전력이란, 수전 공진기(103)측에서 필요한 전력을 말하고, 요망하는 전력에 의해 설정되는 값이다(예를 들어, 전력 수급부(109)의 가동에 필요한 전력). 급전 공진기(102)와 수전 공진기(103)의 위치 관계란, 급전 공진기(102)에 사용된 코일의 코일면과 수전 공진기(103)에 사용된 코일의 코일면끼리가 직교하지 않도록 대향 배치한 경우의 코일면끼리의 사이의 직선 거리를 말한다(도 1에서는, 거리 C로 표기). 전력 공급 범위 F란, 소정의 유효 전력 이상의 전력이 송전되는 범위이다(도 1에서는, 거리 C가 Y 내지 Y'를 만족하는 범위).
이에 의해, 급전 공진기(102)와 수전 공진기(103)의 위치 관계를, 급전 공진기(102)와 수전 공진기(103)를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되도록 설정함으로써, 상기 위치 관계를 유지한 전력 공급 범위 F만큼 소정의 유효 전력을 송전할 수 있다. 한편, 수전 공진기(103)가 당해 전력 공급 범위 F를 벗어난 경우에는, 전력은 송전되지 않는다.
[실시예 1]
다음에, 상기에서 설명한 무선 전력 공급 시스템(101)을 간이한 구성으로 실현한 무선 전력 공급 시스템(1)에 대하여 설명한다. 도 2에 도시한 무선 전력 공급 시스템(1)은, 급전 공진기(2)와 수전 공진기(3)를 포함하는 시스템이며, 급전 공진기(2)로부터 수전 공진기(3)에 전력을 자계 에너지로서 송전한다. 급전 공진기(2)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 그 내부에 급전 코일(4)과, 급전 공진 코일(5)을 갖는다. 그리고, 급전 코일(4)은 교류 전원(6)(전력 공급부)에 접속되어 있다. 또한, 수전 공진기(3)는, 그 내부에 수전 코일(7)과, 수전 공진 코일(8)을 갖는다. 그리고, 수전 코일(7)은 청색 LED(9)(전력 수급부)에 접속되어 있다.
교류 전원(6)은, 급전 공진 코일(5) 및 수전 공진 코일(8)의 공진 주파수와 동일한 주파수인 16㎒로 전력을 출력한다. 그로 인해, 급전 공진 코일(5) 및 수전 공진 코일(8)은 공진 주파수인 16㎒로 공진한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 교류 전원(6)으로부터 0.5W의 전력을 출력한다.
청색 LED(9)는, 주로 질화갈륨을 재료로 하는, 청색의 광을 발광하는 다이오드이다. 이 청색 LED(9)는, 발광에 필요한 유효 전력인 0.35W 이상의 전력이 입력된 경우에 청색으로 발광한다. 한편, 이 청색 LED(9)는, 유효 전력 0.35W보다도 적은 전력이 입력된 경우에는 발광하지 않도록 구성되어 있다.
급전 코일(4)은, 교류 전원(6)으로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진 코일(5)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(4)은, 1변 2㎜의 각형 타입의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감은 코일 직경 80㎜φ의 코일에 의해 형성되어 있다.
이와 같이, 급전 코일(4)을 통하여, 전자 유도에 의해 급전 공진 코일(5)에 전력을 송전시킴으로써, 급전 공진 코일(5)과 다른 회로의 전기적인 접속이 불필요해져, 급전 공진 코일(5)을 임의로, 또한, 고정밀도로 설계할 수 있게 된다.
수전 코일(7)은, 급전 공진 코일(5)로부터 수전 공진 코일(8)에 자계 에너지로서 송전된 전력을 전자 유도에 의해 청색 LED(9)에 출력하는 역할을 한다. 이 수전 코일(7)은, 급전 코일(4)과 마찬가지로, 1변 2㎜의 각형 타입의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감은 코일 직경 80㎜φ의 코일에 의해 형성되어 있다.
그리고, 자계 공명 상태 하에서 수전 공진 코일(8)에 송전된 전력은, 수전 공진 코일(8)로부터 수전 코일(7)로 전자 유도에 의해 에너지가 이동한다. 수전 코일(7)은 청색 LED(9)에 전기적으로 접속되어 있고, 전자 유도에 의해 수전 코일(7)로 이동한 에너지는 전력으로서 청색 LED(9)에 출력된다.
이렇게 수전 코일(7)을 통하여, 전자 유도에 의해 수전 공진 코일(8)로부터 청색 LED(9)에 전력을 송전함으로써, 수전 공진 코일(8)과 다른 회로의 전기적인 접속이 불필요해져, 수전 공진 코일(8)을 임의로, 또한, 고정밀도로 설계할 수 있게 된다.
급전 공진 코일(5) 및 수전 공진 코일(8)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 또한, 본 실시 형태에서는, LC 공진 회로의 콘덴서 성분에 대해서는 소자에 의해 실현하고 있지만, 코일의 양단을 개방하고, 부유 용량에 의해 실현해도 된다. 이 LC 공진 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, (식1)에 의해 정해지는 f가 공진 주파수가 된다.
f=1/(2π√(LC)) … (식1)
또한, 급전 공진 코일(5) 및 수전 공진 코일(8)은, 양쪽 모두 1변 2㎜의 각형 타입의 동선재(절연 피막 부착)를 3회 감은 코일 내경 100㎜φ, 코일 외경 124㎜φ의 코일에 의해 형성되어 있다. 또한, 급전 공진 코일(5) 및 수전 공진 코일(8)은, (식1)에 의해 정해지는 공진 주파수 f를 동일하게 할 필요가 있기 때문에, 공진 주파수를 16㎒로 하고 있다. 또한, 공진 주파수를 동일하게 하기 위해서는, 반드시 동일한 형상일 필요는 없다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 급전 코일(4)의 내경과 급전 공진 코일(5)의 내경 사이의 거리를 10㎜로 한 후에 동일한 평면 기판에 급전 공진기(2)로서 프린트 배치하고 있지만, 급전 코일(4)과 급전 공진 코일(5)의 배치는, 전자 유도가 발생 가능한 거리 및 배치이면 된다. 또한, 마찬가지로, 수전 코일(7)의 내경과 수전 공진 코일(8)의 내경 사이의 거리를 10㎜로 한 후에 동일한 평면 기판에 수전 공진기(3)로서 프린트 배치하고 있지만, 수전 코일(7)과 수전 공진 코일(8)의 배치는, 전자 유도가 발생 가능한 거리 및 배치이면 된다.
상기한 바와 같이, 급전 공진 코일(5)의 공진 주파수와 수전 공진 코일(8)의 공진 주파수를 동일 값으로 한 경우, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이에 자계 공명 상태를 창출할 수 있다. 급전 공진 코일(5)이 공진된 상태에서 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진 코일(5)로부터 수전 공진 코일(8)에 전력을 자계 에너지로서 송전할 수 있다.
또한, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리를 C로 하여, 급전 공진기(2)의 급전 공진 코일(5)과 수전 공진기(3)의 수전 공진 코일(8)의 위치 관계를, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C가, 100㎜로 되도록 배치하고 있다.
여기서, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를, 100㎜로 하고 있는 이유를 이하에 설명한다. 우선, 도 3 및 도 4를 참조하여, 무선 전력 공급 시스템(1)에 있어서, 급전 코일(4)과 급전 공진 코일(5)을 동일 기판에 고정하고, 수전 공진 코일(8)과 수전 코일(7)을 동일 기판에 고정한 후에, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C가 변동된 경우에 있어서의 송전 효율의 변화에 대하여 설명한다. 또한, 송전 효율을 계측함에 있어서, 급전 코일(4)에는, 교류 전원(6) 대신 네트워크 애널라이저(아질렌트·테크놀로지 가부시끼가이샤 제조)의 출력 단자를 접속하고, 수전 코일(7)에는, 청색 LED(9) 대신 네트워크 애널라이저의 입력 단자를 접속하여, 도 3에서는, 횡축을 전송 주파수로 하고, 종축을 삽입 손실 『S21』로 하여 측정하였다. 또한, 도 4에서는, 그래프의 횡축을 거리 C로 하고, 종축을 송전 효율로 하여 설명한다.
여기서, 송전 효율이란, 급전 공진기에 공급되는 전력에 대한 전력 수급부에 출력되는 전력의 비율을 말한다. 즉, 전력이, 급전 공진기로부터 수전 공진기에 전송될 때의 에너지 전송 효율이다. 삽입 손실 『S21』이란, 출력 단자로부터 신호를 입력했을 때의 입력 단자를 통과하는 신호를 나타내고 있고, 데시벨 표시되어, 수치가 클수록 송전 효율이 높은 것을 나타낸다. 즉, 삽입 손실 『S21』이 높을수록, 급전 공진기(2)에 공급되는 전력에 대한 전력 수급부로서의 청색 LED(9)에 출력되는 전력의 비율(송전 효율)이 높아지는 것을 의미한다.
이하에, 도 3 및 도 4를 참조하여, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를 변동시킨 경우에 있어서의 삽입 손실 『S21』 및 송전 효율의 측정 결과에 대하여 설명한다. 도 3의 (a)는 거리 C=37㎜로 한 경우의 삽입 손실 『S21』의 측정 결과이다. 도 3의 (b)는 거리 C=50㎜로 한 경우의 삽입 손실 『S21』의 측정 결과이다. 도 3의 (c)는 거리 C=70㎜로 한 경우의 삽입 손실 『S21』의 측정 결과이다. 도 3의 (d)는 거리 C=100㎜로 한 경우의 삽입 손실 『S21』의 측정 결과이다. 도 3의 (e)는 거리 C=150㎜로 한 경우의 삽입 손실 『S21』의 측정 결과이다. 도 3의 (f)는 거리 C=200㎜로 한 경우의 삽입 손실 『S21』의 측정 결과이다.
급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 자계 공명 상태에 있어서, 전송되는 자계 에너지가 피크로 되는 전송 주파수(송전 효율이 최대가 되는 전송 주파수)는, 공진 주파수 근방(본 실시 형태에서는 16㎒)이다. 그러나, 도 3의 (a) 내지 (c)가 나타내는 바와 같이, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C가 어느 정도 가까워지면(C=37㎜, 50㎜, 70㎜), 『S21』의 값이 최대가 되는 전송 주파수에 분리가 확인되고, 공진 주파수 근방에서는 『S21』의 값이 낮아진다. 즉, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C가 어느 정도 가까워지면, 도 4에 도시하는 바와 같이, 공진 주파수 대역에서는, 송전 효율이 저하하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 3의 (d)가 나타내는 바와 같이, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를 100㎜로 설정하면(본 실시 형태), 공진 주파수 근방에서 『S21』의 값이 최대가 된다. 즉, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를 100㎜로 설정하면, 도 4에 도시하는 바와 같이, 공진 주파수(16㎒) 대역에서, 송전 효율이 최대가 되는 것을 알 수 있다(송전 효율 74％).
또한, 도 3의 (e)(f)가 나타내는 바와 같이, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C가 어느 정도 멀어지면(C=150㎜, 200㎜), 『S21』의 값이 최대가 되는 전송 주파수에 분리만은 보이지 않지만, 공진 주파수 근방에서는 『S21』의 값이 낮아진다. 즉, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C가 어느 정도 멀어지면, 도 4에 도시하는 바와 같이, 공진 주파수 대역에서는, 송전 효율이 저하하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를 100㎜로 설정하고 있는 것은, 공진 주파수(16㎒)의 대역에 있어서, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이를 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력이 충분히 송전되도록, 송전 효율을 최대로 하기 위해서이다.
또한, 본 실시예에서는, 거리 C를 100㎜로 설정하고 있지만, 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력이 0.35W이기 때문에, 거리 C는 송전 효율이 70％ 이상으로 되는 거리이면 된다. 구체적으로는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 거리 C가 88㎜ 내지 105㎜ 사이로 설정되면, 공진 주파수(16㎒) 대역에 있어서, 송전 효율이 70％ 이상으로 되어 청색 LED(9)의 발광에 필요한 0.35W 이상의 유효 전력이 송전된다. 여기서, 거리 C가 88㎜ 내지 105㎜ 사이를, 청색 LED(9)의 발광에 필요한0.35W 이상의 유효 전력이 송전 가능한 전력 공급 범위로 한다.
(동작)
이렇게 구성된 무선 전력 공급 시스템(1)에서는, 교류 전원(6)으로부터 급전 코일(4)에 공급된 전력(0.5W)은 급전 코일(4)과 급전 공진 코일(5) 사이의 전자 유도를 거쳐, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 자계 공명 상태를 이용하여 송전 효율 74％로 송전되어, 수전 공진 코일(8)과 수전 코일(7) 사이의 전자 유도를 거쳐, 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력 0.35W 이상의 값으로 출력된다. 그리고, 유효 전력을 얻은 청색 LED(9)는 청색으로 발광한다.
다음에, 도 4를 참조하여, 무선 전력 공급 시스템(1)에 있어서, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를 변동시킨 경우의 송전 효율의 변화를, 청색 LED(9)의 발광 상태(동작)에 의해 비교하여 설명한다.
또한, 본 실시예에서는, 교류 전원(6)은, 급전 공진 코일(5) 및 수전 공진 코일(8)의 공진 주파수와 동일한 주파수인 16㎒로 0.5W의 전력을 출력한다. 또한, 교류 전원(6)으로부터 출력되는 전력이 0.5W이기 때문에, 유효 전력 0.35W 이상의 청색 LED(9)가 청색으로 발광하기 위해서는, 송전 효율이 70％ 이상인 것이 필요하고, 송전 효율이 70％보다도 적은 경우에는 발광하지 않는다.
(비교예 1)
도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 거리 C를 20㎜로 하면, 공진 주파수(16㎒) 대역에 있어서, 송전 효율은 약 4％로 되어 매우 낮고, 청색 LED(9)는 발광하지 않는다.
(비교예 2)
다음에, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 거리 C를 50㎜로 하면, 공진 주파수(16㎒) 대역에 있어서, 송전 효율은 약 39％로 되지만, 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력에는 도달하지 않기 때문에 발광하지 않는다.
(본 실시예)
다음에, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이, 거리 C를 100㎜로 하면, 공진 주파수(16㎒) 대역에 있어서, 송전 효율은 약 74％로 높아져, 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력에 도달했기 때문에, 청색 LED(9)가 발광한다.
(비교예 3)
다음에, 도 4의 (d)에 도시하는 바와 같이, 거리 C를 150㎜로 하면, 공진 주파수(16㎒) 대역에 있어서, 송전 효율은 약 27％로 저하하여, 청색 LED(9)는 발광하지 않는다.
이렇게 도 4의 그래프를 참조하면, 거리 C가 88㎜ 내지 105㎜ 사이로 설정된 경우에는(전력 공급 범위), 공진 주파수(16㎒) 대역에 있어서, 송전 효율이 70％ 이상(유효 전력 0.35W 이상)으로 되어 청색 LED(9)가 발광하고, 그 이외의 값으로 거리 C가 설정된 경우에는, 송전 효율이 70％ 미만(유효 전력 0.35W 미만)으로 되어 청색 LED(9)는 발광하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 소정의 유효 전력 이상의 전력이 송전되는 범위인 전력 공급 범위가 현실에 존재하고, 그 전력 공급 범위의 존재에 의해 본 발명을 충분히 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.
상기한 무선 전력 공급 시스템(1)(무선 전력 공급 방법)에 의하면, 급전 공진기(2) 및 수전 공진기(3)를 공진 주파수 16㎒에 있어서 동조시켜서, 급전 공진기(2)와 수전 공진기(3) 사이에 자계 공명 상태를 창출함으로써, 교류 전원(6)으로부터 공급된 전력(0.5W)을 자계 에너지로서 급전 공진기(2)로부터 수전 공진기(3)에 무선에 의해 송전할 수 있다. 그리고, 청색 LED(9)는, 발광에 필요한 유효 전력인 0.35W 이상의 전력이 입력된 경우에 청색으로 발광하고, 유효 전력 0.35W보다도 적은 전력이 입력된 경우에는 발광하지 않도록 구성되어 있다.
그리고, 급전 공진기(2)의 급전 공진 코일(5)과 수전 공진기(3)의 수전 공진 코일(8) 사이의 거리 C를, 공진 주파수 16㎒의 대역에 있어서, 급전 공진기(2)에 공급되는 전력에 대한 청색 LED(9)에 출력되는 전력의 비율(송전 효율)이 70％ 이상, 즉, 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력인 0.35W 이상이 출력되는 상태로 되도록, 88㎜ 내지 105㎜ 사이인 100㎜로 설정하고 있다. 이와 같이 함으로써, 거리 C가 약 88㎜ 내지 약 105㎜ 사이로 설정되어 있는 경우에는, 수전 공진기(3)는 유효 전력 0.35W 이상을 수전하여 청색 LED(9)에 유효 전력을 출력하여 발광시킬 수 있다. 한편, 거리 C가 88㎜ 내지 105㎜ 사이를 벗어난 경우에는, 수전 공진기(3)가 수전되는 전력의 송전 효율은 저하하여 청색 LED(9)의 발광에 필요한 유효 전력을 수전할 수 없게 된다. 이로 인해, 급전 공진기(2)의 급전 공진 코일(5)과 수전 공진기(3)의 수전 공진 코일(8)이 위치 관계, 즉, 거리 C가 88㎜ 내지 105㎜ 사이로 설정되었을 때만, 청색 LED(9)가 발광하는 데 필요한 유효 전력을 출력시켜서 청색 LED(9)를 발광시킬 수 있다.
즉, 급전 공진기(2)의 급전 공진 코일(5)과 수전 공진기(3)의 수전 공진 코일(8)의 위치 관계를 거리 C가 88㎜ 내지 105㎜ 사이로 설정되도록 배치함으로써, 급전 공진 코일(5)과 수전 공진 코일(8)을 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전되는 전력을 유효 전력(0.35W) 이상으로 할 수 있다. 이로 인해, 급전 공진기(2)와 수전 공진기(3)가 상기 위치 관계에 놓였을 때만, 전력 공급 범위로서 유효 전력을 송전할 수 있다.
또한, 상기한 구성에 의하면, 급전 코일(4)과 급전 공진 코일(5) 사이에 있어서, 자계 공명 상태를 창출하지 않고 전자 유도를 사용함으로써, 급전 코일(4)로부터 급전 공진 코일(5)에 전력을 송전할 수 있다. 또한, 마찬가지로, 수전 공진 코일(8)과 수전 코일(7) 사이에 있어서, 자계 공명 상태를 창출하지 않고 전자 유도를 사용함으로써, 수전 공진 코일(8)로부터 수전 코일(7)에 전력을 송전할 수 있다. 이에 의해, 급전 코일(4)과 급전 공진 코일(5) 사이 및 수전 공진 코일(8)과 수전 코일(7) 사이에 있어서 공진 주파수로 동조시킬 필요가 없어지므로 설계의 간이화가 도모된다.
(실시 형태 1)
구체예로서, 상기 실시예 1에서 설명한 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템을 실시 형태 1에 따른 무선 전력 공급 시스템(201)에 적용시켜서 설명한다.
도 1 및 도 4에 도시하는 그래프로부터, 급전 공진기 및 수전 공진기를 공진 주파수에 있어서 동조시켜서 급전 공진기와 수전 공진기 사이가 자계 공명 상태에 있는 경우에 있어서, 급전 공진기와 수전 공진기 사이의 거리를 변화시킨 경우의 송전 효율을 측정한 경우, 피크점을 갖는 산 모양의 선을 그리는 것을 알 수 있었다. 즉, 급전 공진기와 수전 공진기 사이의 거리를 피크점의 위치에 배치하면, 송전 효율이 최대가 된다. 또한, 급전 공진기와 수전 공진기 사이의 거리가 피크점보다도 가까워지면, 송전 효율이 저하하는 것을 알 수 있다. 또한, 급전 공진기와 수전 공진기 사이의 거리가 피크점보다도 이격되면, 송전 효율이 저하하는 것을 알 수 있다. 여기서, 송전 효율이란, 급전 공진기에 공급되는 전력에 대한 수전 공진기로부터 출력되는 전력의 비율을 말한다.
그리고, 실시 형태 1에 따른 무선 전력 공급 시스템(201)은, 급전 공진기와 수전 공진기의 위치 관계를 변화시킨 경우에 송전 효율이 변화되는 것을 이용한 무선 전력 공급 시스템이다.
(무선 전력 공급 시스템(201)의 구성)
도 5는, 실시 형태 1에 따른 무선 전력 공급 시스템(201)의 설명도이다. 도 5에 도시한 무선 전력 공급 시스템(201)은, 오피스(220) 벽에 걸린 송전 장치(210)와, 책상(221)에 놓인 휴대 전화(212) 등의 수전 장치로 구성된다. 송전 장치(210)는, 교류 전원(206)과 급전 공진기(202)를 구비하고, 급전 공진기(202)는,교류 전원(206)에 접속된 급전 코일(204)과 급전 공진 코일(205)로 구성되어 있다. 또한, 휴대 전화(212) 등의 수전 장치는, 전력 수급부(209)와 수전 공진기(203)를 구비하고, 수전 공진기(203)는 전력 수급부(209)에 접속된 수전 코일(207)과 수전 공진 코일(208)로 구성되어 있다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 휴대 전화(212)는, 송전 장치(210)로부터 거리 X"만큼 떨어져서 사람(226)이 소지한 상태에서, 송전 장치(210)로부터 거리 X'만큼 떨어져서 책상(221) 위에 놓인 상태로 이동되는 것으로서 설명한다.
급전 코일(204)은, 교류 전원(206)으로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진 코일(205)에 공급하는 역할을 한다. 여기서, 급전 코일(204)과 급전 공진 코일(205) 사이의 거리를 A라 한다. 또한, 급전 코일(204)과 급전 공진 코일(205)의 배치는, 전자 유도가 발생 가능한 거리 및 배치이면 된다.
이와 같이, 급전 코일(204)을 통하여, 전자 유도에 의해 급전 공진 코일(205)에 전력을 송전시킴으로써, 급전 공진 코일(205)과 다른 회로의 전기적인 접속이 불필요해져, 급전 공진 코일(205)을 임의로, 또한, 고정밀도로 설계할 수 있게 된다.
수전 코일(207)은, 급전 공진 코일(205)로부터 수전 공진 코일(208)에 자계 에너지로서 송전된 전력을 전자 유도에 의해 전력 수급부(209)에 출력하는 역할을 한다. 여기서, 수전 공진 코일(208)과 수전 코일(207) 사이의 거리를 B로 한다. 또한, 수전 코일(207)과 수전 공진 코일(208)의 배치는, 전자 유도가 발생 가능한 거리 및 배치이면 된다.
그리고, 자계 공명 상태 하에서 수전 공진 코일(208)에 송전된 전력은, 수전 공진 코일(208)로부터 수전 코일(207)로 전자 유도에 의해 에너지가 이동한다. 수전 코일(207)은 전력 수급부(209)에 전기적으로 접속되어 있고, 전자 유도에 의해 수전 코일(207)로 이동한 에너지는 전력으로서 전력 수급부(209)에 출력된다.
이렇게 수전 코일(207)을 통하여, 전자 유도에 의해 수전 공진 코일(208)로부터 전력 수급부(209)에 전력을 송전함으로써, 수전 공진 코일(208)과 다른 회로의 전기적인 접속이 불필요해져, 수전 공진 코일(208)을 임의로, 또한, 고정밀도로 설계할 수 있게 된다.
급전 공진 코일(205) 및 수전 공진 코일(208)은 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 또한, 본 실시 형태에서는, LC 공진 회로의 콘덴서 성분에 대해서는 소자에 의해 실현하고 있지만, 코일의 양단을 개방하고, 부유 용량에 의해 실현해도 된다. 이 LC 공진 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, (식1)에 의해 정해지는 f가 공진 주파수가 된다.
또한, 급전 공진 코일(205) 및 수전 공진 코일(208)은 (식1)에 의해 정해지는 공진 주파수 f를 동일하게 할 필요가 있다. 또한, 공진 주파수 f를 동일하게 하기 위해서는, 반드시 동일한 형상일 필요는 없다.
상기한 바와 같이 급전 공진 코일(205)의 공진 주파수와 수전 공진 코일(208)의 공진 주파수를 동일 값으로 한 경우, 급전 공진 코일(205)과 수전 공진 코일(208) 사이에 자계 공명 상태를 창출할 수 있다. 급전 공진 코일(205)이 공진된 상태에서 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진 코일(205)로부터 수전 공진 코일(208)에 전력을 자계 에너지로서 송전할 수 있다.
또한, 송전 장치(210)의 급전 공진 코일(205)과 휴대 전화(212)의 수전 공진 코일(208) 사이의 거리를 C로 하여, 도 5에 도시하는 바와 같이, 사람(226)이 소지한 휴대 전화(212)(수전 공진 코일(208))는, 송전 장치(210)(급전 공진 코일(205))로부터 거리 X"만큼 이격된 위치에 있다. 그리고, 책상(221) 위로 이동된 휴대 전화(212)(수전 공진 코일(208))는, 송전 장치(210)(급전 공진 코일(205))로부터 거리 X'만큼 이격된 위치에 있다.
교류 전원(206)은, 급전 공진 코일(205) 및 수전 공진 코일(208)의 공진 주파수와 동일한 주파수로 전력을 출력한다.
전력 수급부(209)는, 수전 코일(207)에 접속된 정류 회로와, 정류 회로에 접속된 충전 제어 장치와, 충전 제어 장치에 접속된 배터리를 구비하고 있다. 전력 수급부(209)는, 수전 코일(207)로부터 송전된 전력을 정류 회로 및 충전 제어 장치를 통하여 배터리에 축전하는 역할을 한다. 또한, 배터리로서는, 예를 들어 니켈 수소 전지나 리튬 이온 전지나 그 밖의 이차 전지를 들 수 있다. 또한, 충전 제어 장치는, 배터리 충전에 필요한 유효 전력이 입력된 경우에 충전하도록 제어하는 역할을 한다. 그러므로, 유효 전력보다도 적은 전력이 입력된 경우에는 배터리에는 충전되지 않도록 구성되어 있다. 또한, 급전 공진기(202)에 공급되는 전력에 대한 수전 공진기(203)로부터 출력되는 전력의 비율(송전 효율)이 70％ 이상이면 배터리 충전에 필요한 유효 전력이 입력되는 것으로 한다(도 5 참조).
(동작)
이렇게 구성된 무선 전력 공급 시스템(201)에서는, 교류 전원(206)으로부터 공급되는 전력이, 급전 코일(204)과 급전 공진 코일(205) 사이의 전자 유도, 급전 공진 코일(205)과 수전 공진 코일(208) 사이의 자계 공명 상태를 이용한 송전, 수전 공진 코일(208)과 수전 코일(207) 사이의 전자 유도를 거쳐, 송전 장치(210)의 급전 공진 코일(205)과 수전 공진 코일(208) 사이의 거리 C가 X'로 되도록 책상(221) 위에 놓인 휴대 전화(212)의 전력 수급부(209)에 공급된다. 한편, 송전 장치(210)의 급전 공진 코일(205)과 수전 공진 코일(208) 사이의 거리 C가 X"로 되도록 사람(226)이 소지하고 있는 경우에는, 휴대 전화(212)에는 전력은 공급되지 않는다.
이렇게 책상(221) 위에 놓인 휴대 전화(212)의 전력 수급부(209)의 배터리에 충전이 이루어지는 것은, 송전 장치(210)의 급전 공진 코일(205)과 수전 공진 코일(208) 사이의 거리 C가, 공진 주파수의 대역에 있어서, 휴대 전화(212)의 배터리 충전에 필요한 유효 전력을 확보할 수 있도록 송전 효율 70％ 이상으로 되는 거리 X'로 설정되어 있는 것에 의한 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 거리 C=X'로 하고 있지만, 거리 C는 송전 효율이 70％ 이상으로 되는 거리이면 된다. 구체적으로는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 거리 C가 Y 내지 Y' 사이로 설정되면, 공진 주파수 대역에 있어서, 송전 효율이 70％ 이상으로 되어 휴대 전화의 배터리 충전에 필요한 유효 전력이 송전된다. 여기서, 거리 C가 Y 내지 Y'인 구간을, 전력 수급부(209)의 배터리 충전에 필요한 유효 전력이 송전 가능한 전력 공급 범위 F라고 한다.
한편, 사람(226)이 휴대 전화(212)를 소지하고 있는 경우에, 휴대 전화(212)의 전력 수급부(209)의 배터리에 충전이 이루어지지 않는 것은, 송전 장치(210)의 급전 공진 코일(205)과 휴대 전화(212)의 수전 공진 코일(208) 사이의 거리 C가, 공진 주파수의 대역에 있어서, 휴대 전화(212)의 전력 수급부(209)의 배터리 충전에 필요한 유효 전력을 확보할 수 없는(송전 효율 70％ 미만으로 됨) 거리 X"로 설정되어 있는 것에 의한 것이다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이 사람(226)이 휴대 전화(212)를 소지하고 있는 경우에는, 휴대 전화(212)가 전력 공급 범위 F 밖에 있으므로, 휴대 전화(212)의 배터리에는 충전이 이루어지지 않는다.
이에 의해, 휴대 전화(212)가 전력 공급 범위 F 밖에 있는 경우에는 충전을 할 수 없지만, 휴대 전화(212)가 전력 공급 범위 F 내로 들어온 경우에는 충전 가능하게 할 수 있다. 즉, 한정된 범위(전력 공급 범위 F)에 있어서만 휴대 전화(212)의 배터리에 충전을 할 수 있게 된다.
(무선 전력 공급 방법)
이것을, 무선 전력 공급 방법으로서 설명하면 우선, 송전 장치(210)가 오피스(220)의 벽에 고정되어 있는 것으로 하여, 전력 공급 범위 F를, 공진 주파수의 대역에 있어서 휴대 전화(212)의 배터리 충전에 필요한 유효 전력을 확보할 수 있는 송전 효율 70％ 이상으로 되도록 거리 Y 내지 Y'의 범위로 설정한다. 그리고, 휴대 전화(212)를 송전 장치(210)의 급전 공진 코일(205)과 휴대 전화(212)의 수전 공진 코일(208) 사이의 거리 C가 거리 Y 내지 Y'의 범위(전력 공급 범위 F) 내에 들어가도록 책상(221) 위로 이동시킨다. 그러면, 교류 전원(206)으로부터 공급되는 전력이, 급전 코일(204)과 급전 공진 코일(205) 사이의 전자 유도, 급전 공진 코일(205)과 수전 공진 코일(208) 사이의 자계 공명 상태를 이용한 송전, 수전 공진 코일(208)과 수전 코일(207) 사이의 전자 유도를 거쳐, 수전 코일(207)로부터 송전된 전력이 전력 수급부(209)가 구비하는 정류 회로 및 충전 제어 장치를 통하여 배터리 충전에 필요한 유효 전력으로서 배터리에 축전된다.
상기의 구성에 의하면, 도 5에 도시하는 전력 공급 범위 F에 휴대 전화(212) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에만, 전력 수급부(209)가 구비하는 배터리에 충전을 할 수 있다.
[실시예 2]
이하에, 도 6 및 도 7을 참조하여, 실시예 2에 따른 무선 전력 공급 시스템(301)을 설명한다.
여기서는, 도 6 및 도 7을 참조하여, 무선 전력 공급 시스템(301)에 있어서 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B 중 적어도 하나를 바꿈으로써, 송전 효율이 최대가 되는 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C를 자유롭게 설정할 수 있는 것을 설명한다.
(무선 전력 공급 시스템(301)의 구성)
도 6에 나타낸 무선 전력 공급 시스템(301)은, 급전 공진기(302)과 수전 공진기(303)을 포함하는 시스템이며, 급전 공진기(302)로부터 수전 공진기(303)에 전력을 자계 에너지로서 송전한다. 급전 공진기(302)는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 그 내부에 급전 코일(304)과, 급전 공진 코일(305)을 갖는다. 또한, 수전 공진기(303)은 그 내부에 수전 코일(307)과, 수전 공진 코일(308)을 갖는다.
급전 코일(304) 및 수전 코일(307)은, 선 직경 1㎜φ의 원형의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감은 코일 직경 100㎜φ의 코일에 의해 형성하고 있다. 그리고, 급전 코일(304)에는, 교류 전원 대신 네트워크 애널라이저(340)(아질렌트·테크놀로지 가부시끼가이샤 제조)의 출력 단자(341)를 접속하고, 수전 코일(307)에는, 네트워크 애널라이저의 입력 단자(342)를 접속하고 있다.
네트워크 애널라이저(340)는, 임의의 주파수로 교류 전력을 출력 단자(341)로부터 급전 코일(304)에 출력 가능하게 하고 있다. 또한, 네트워크 애널라이저(340)는, 수전 코일(307)로부터 입력 단자(342)에 입력된 전력을 측정 가능하게 하고 있다. 또한, 네트워크 애널라이저(340)는, 도 7에 도시한 바와 같은 송전 효율을 측정 가능하게 하고 있다.
급전 공진 코일(305) 및 수전 공진 코일(308)은 각각 LC 공진 회로이며, 급전 공진 코일(305) 및 수전 공진 코일(308)은, 선 직경 1㎜φ의 원형의 동선재(절연 피막 부착)를 솔레노이드 형상으로 3회 감은 코일 직경 100㎜φ의 코일에 의해 형성되어 있다. 또한, 급전 공진 코일(305) 및 수전 공진 코일(308)은, (식1)에 의해 정해지는 공진 주파수 f를 동일하게 할 필요가 있기 때문에, 공진 주파수를 15㎒로 하고 있다.
또한, 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A란, 급전 코일(304)의 코일면과 급전 공진 코일(305)의 코일면끼리가 직교하지 않도록 대향 배치한 경우의 코일면끼리의 사이의 직선 거리를 말한다. 마찬가지로, 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B는, 수전 코일(307)의 코일면과 수전 공진 코일(308)의 코일면끼리가 직교하지 않도록 대향 배치한 경우의 코일면끼리의 사이의 직선 거리를 말한다. 또한, 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C는, 급전 공진 코일(305)의 코일면과 수전 공진 코일(308)의 코일면끼리가 직교하지 않도록 대향 배치한 경우의 코일면끼리의 사이의 직선 거리를 말한다.
다음에, 상기 무선 전력 공급 시스템(301)을 사용하여, 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B를 바꾼 경우에 있어서의 송전 효율이 최대가 되는 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C에 관한 네트워크 애널라이저(340)에서의 측정 결과를, 도 7을 참조하여 설명한다. 또한, 도 7의 그래프에서는, 횡축을 거리 C로 하고, 종축을 송전 효율로 하고 있다.
도 7의 그래프에 나타내는 설계I의 꺾은선은, 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B를 모두 1㎜(A=B=1㎜)로 설정한 경우에 있어서, 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C를 변동시킨 경우의 송전 효율을 플롯한 것이다. 이것에 의하면, 거리 C가 20㎜로 설정된 경우에 송전 효율이 최대가 되는 것을 알 수 있다.
다음에, 설계II의 꺾은선은, 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B를 모두 7㎜(A=B=7㎜)로 설정한 경우에 있어서, 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C를 변동시킨 경우의 송전 효율을 플롯한 것이다. 이것에 의하면, 거리 C가 50㎜로 설정된 경우에 송전 효율이 최대가 되는 것을 알 수 있다.
다음에, 설계III의 꺾은선은, 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B를 모두 17㎜(A=B=17㎜)로 설정한 경우에 있어서, 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C를 변동시킨 경우의 송전 효율을 플롯한 것이다. 이것에 의하면, 거리 C가 100㎜로 설정된 경우에 송전 효율이 최대가 되는 것을 알 수 있다.
이상에 의해, 급전 코일(304)과 급전 공진 코일(305) 사이의 거리 A나 수전 공진 코일(308)과 수전 코일(307) 사이의 거리 B를 바꿈으로써, 송전 효율이 최대가 되는 급전 공진 코일(305)과 수전 공진 코일(308) 사이의 거리 C가 바뀌는 것을 알 수 있다.
(실시 형태 2)
상기 실시예 2에 따른 측정 결과를 근거로 하여, 실시 형태 2에 따른 무선 전력 공급 시스템(401)에 대하여 설명한다. 실시 형태 2에 따른 무선 전력 공급 시스템(401)은, 급전 코일(404)과 급전 공진 코일(405) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(408)과 수전 코일(407) 사이의 거리 B 중 적어도 하나를 바꿈으로써, 송전 효율이 최대가 되는 급전 공진 코일(405)과 수전 공진 코일(408) 사이의 거리 C를 자유롭게 설정할 수 있는 것을 이용한 무선 전력 공급 시스템이다. 또한, 실시 형태 1과 마찬가지의 구성은 설명을 생략한다.
(무선 전력 공급 시스템(401)의 구성)
도 8은, 실시 형태 2에 따른 무선 전력 공급 시스템(401)의 설명도이다. 도 8에 나타낸 무선 전력 공급 시스템(401)은 실시 형태 1과 마찬가지로, 오피스(420)의 벽에 걸린 송전 장치(410)와, 책상(421)에 놓인 휴대 전화(412) 등의 수전 장치로 구성된다. 송전 장치(410)는 교류 전원(406)과 급전 공진기(402)와 조정기(418)를 구비하고, 급전 공진기(402)는 교류 전원(406)과 접속된 급전 코일(404)과 급전 공진 코일(405)을 구비하고 있다. 조정기(418)는, 급전 코일(404)과 급전 공진 코일(405) 사이의 거리 A를 가변 조정하는 것이 가능하다. 또한, 휴대 전화(412)는 전력 수급부(409)와 수전 공진기(403)를 구비하고, 수전 공진기(403)는 전력 수급부(409)와 접속된 수전 코일(407)과 수전 공진 코일(408)로 구성되어 있다.
우선, 도 8의 (a)에 도시하는 바와 같이, 급전 공진기(402)와 수전 공진기(403)의 위치 관계를, 조정기(418)에 의해 거리 A=a로 가변 조정해서(거리 B는 일정한 값으로 고정되어 있음), 송전 효율이 최대가 되는 거리 C=c로 설정한 경우, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 G에서는, 송전 효율이 휴대 전화(412)의 전력 수급부(409)가 구비하는 배터리 충전에 필요한 유효 전력 이상이 된다.
상기한 설정에 의하면, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 G에 휴대 전화(412) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에는, 배터리의 충전이 실효된다. 한편, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 G 이외의 영역에 휴대 전화(412) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에는, 배터리의 충전은 실행되지 않는다.
다음에, 도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 급전 공진기(402)와 수전 공진기(403)의 위치 관계를, 조정기(418)에 의해 거리 A=a'로 가변 조정해서(거리 B는 일정한 값으로 고정되어 있음), 송전 효율이 최대가 되는 거리 C=c'로 설정한 경우, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 H에서는, 송전 효율이 휴대 전화(412)의 전력 수급부(409)가 구비하는 배터리 충전에 필요한 유효 전력 이상이 된다.
상기한 설정에 의하면, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 H에 휴대 전화(412) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에는, 배터리의 충전이 실효된다. 한편, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 H 이외의 영역에 휴대 전화(412) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에는, 배터리의 충전은 실행되지 않는다.
또한, 도 8의 (c)에 도시하는 바와 같이, 급전 공진기(402)와 수전 공진기(403)의 위치 관계를, 조정기(418)에 의해 거리 A=a"로 가변 조정해서(거리 B는 일정한 값으로 고정되어 있음), 송전 효율이 최대가 되는 거리 C=c"로 설정한 경우, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 I에서는, 송전 효율이 휴대 전화(412)의 전력 수급부(409)가 구비하는 배터리 충전에 필요한 유효 전력 이상이 된다.
상기한 설정에 의하면, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 I에 휴대 전화(412) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에는, 배터리의 충전이 실효된다. 한편, 도 8에 나타내는 전력 공급 범위 I 이외의 영역에 휴대 전화(412) 등의 수전 장치가 놓여진 경우에는, 배터리의 충전은 실행되지 않는다.
상기한 무선 전력 공급 시스템(401)을 사용하면, 급전 코일(404)과 급전 공진 코일(405) 사이의 거리 A 및 수전 공진 코일(408)과 수전 코일(407) 사이의 거리 B 중 적어도 하나를 자유롭게 설정함으로써, 공진 주파수 대역에 있어서, 송전 효율이 배터리 충전에 필요한 유효 전력 이상으로 되는 전력 공급 범위(예를 들어, 전력 공급 범위 G, 전력 공급 범위 H, 전력 공급 범위 I)를 자유롭게 설정할 수 있다. 즉, 충전 가능한 전력 공급 범위를 자유롭게 설정할 수 있게 된다.
(실시 형태 3)
또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 오피스에 입장하기 위한 비접촉형 IC 카드에 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템(601)을 채용해도 된다. 구체적으로는, 오피스(630) 도어(631)의 옆 벽에 카드 리더(610)(교류 전원(606)에 접속된 급전 공진기(602)를 구비함)를 설치하고, 개인 식별용 IC 칩(609)에 접속된 수전 공진기(603)를 구비한 IC 카드(611)를 준비한다. 그리고, 도 9에 도시하는 바와 같이, 송전 효율이 IC 칩(609)의 판독에 필요한 유효 전력 이상으로 되는 전력 공급 범위 P를, 도어(631)의 앞 부근으로 설정한다.
상기 구성에 의하면, IC 카드(611)를 포켓(650)에 넣어두고 있는 사람이, 전력 공급 범위 P를 통과한 경우, IC 칩의 판독이 실효되고, 개인 식별이 완료되면 도어(631)가 자동으로 개방되도록 할 수 있다.
(그 밖의 실시 형태)
또한, 예를 들어 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템은, 작업 로봇이나 전기 자동차 등의 전력 공급 장치에 적용하는 것도 가능하다. 작업 로봇에 적용한 경우, 당해 작업 로봇의 작동에 필요한 유효 전력 이상으로 되는 전력 공급 범위를 작업 영역으로 정함으로써, 작업 로봇이 당해 작업 영역을 벗어난 경우의 동작을 스톱시킬 수 있다. 이에 의해, 작업 로봇이 어떠한 이유에 의해 작업 영역을 벗어났다고 해도 작업 로봇에의 급전을 멈추어 동작을 스톱시킬 수 있기 때문에, 작업 로봇의 안전성을 높일 수 있다.
또한, 실시 형태 1에서는, 송전 장치(210) 측의 급전 공진 코일(205)의 공진 주파수와 휴대 전화(212) 측의 수전 공진 코일(208)의 공진 주파수를 동일 값으로 한 경우에, 급전 공진 코일(205)로부터 휴대 전화(212)의 수전 공진 코일(208)에 전력을 자계 에너지로서 송전할 수 있도록 하고 있지만, 이것에 제한하지 않는다.
예를 들어, 휴대 전화가 구비하는 수전 공진 코일의 공진 주파수를 15㎒로 하고, 퍼스널 컴퓨터가 구비하는 수전 공진 코일의 공진 주파수를 16㎒로 하고, 태블릿 PC가 구비하는 수전 공진 코일의 공진 주파수를 14㎒로 해서 각각 전력 공급 범위 F에 놓아둔다. 그리고, 송전 장치측에는 공진 주파수가 14㎒, 15㎒, 16㎒의 급전 공진 코일을 준비하여, 교류 전원으로부터 급전 공진 코일에 송전되는 교류 전원의 송전 주파수를 14㎒, 15㎒ 또는 16㎒로 자유롭게 변환함으로써, 각각 공진하는 급전 공진 코일 및 수전 공진 코일을 통하여 개별로 전력을 자계 에너지로서 송전할 수 있게 해도 된다. 즉, 교류 전원의 송전 주파수를 14㎒로 설정하여, 공진 주파수가 14㎒인 급전 공진 코일에 전력을 공급함으로써, 공진 주파수가 14㎒인 태블릿 PC가 구비하는 수전 공진 코일에만 전력이 송전되게 된다(공진 주파수가 일치하지 않는 휴대 전화가 구비하는 수전 공진 코일이나 퍼스널 컴퓨터가 구비하는 수전 공진 코일에는 전력이 송전되지 않음). 마찬가지로, 교류 전원의 송전 주파수를 15㎒로 설정하고, 공진 주파수가 15㎒인 급전 공진 코일에 전력을 공급함으로써, 공진 주파수가 15㎒인 휴대 전화가 구비하는 수전 공진 코일에만 전력이 송전되게 된다(공진 주파수가 일치하지 않는 퍼스널 컴퓨터가 구비하는 수전 공진 코일이나 태블릿 PC가 구비하는 수전 공진 코일에는 전력이 송전되지 않음). 마찬가지로, 교류 전원의 송전 주파수를 16㎒로 설정하고, 공진 주파수가 16㎒인 급전 공진 코일에 전력을 공급함으로써, 공진 주파수가 16㎒인 퍼스널 컴퓨터가 구비하는 수전 공진 코일에만 전력이 송전되게 된다(공진 주파수가 일치하지 않는 휴대 전화가 구비하는 수전 공진 코일이나 태블릿 PC가 구비하는 수전 공진 코일에는 전력이 송전되지 않음).
이 경우, 송전 장치측의 송전 주파수를 변환함으로써, 전력 공급 범위 F에 놓인 휴대 전화나 퍼스널 컴퓨터나 태블릿 PC 중 원하는 것에 전력 공급이 가능하게 된다.
이상 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 특징적 부분을 중심으로 설명했지만, 본 발명은 이상 상세한 설명에 기재되는 실시 형태에 한정되지 않고, 그 밖의 실시 형태에도 적용할 수 있고, 그 적용 범위는 가능한 한 넓게 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 있어서 사용한 용어 및 어법은, 본 발명을 적확하게 설명하기 위하여 사용한 것이며, 본 발명의 해석을 제한하기 위하여 사용한 것이 아니다. 또한, 당업자라면 본 명세서에 기재된 발명의 개념으로부터, 본 발명의 개념에 포함되는 다른 구성, 시스템, 방법 등을 추고하는 것은 용이하다고 생각된다. 따라서, 청구범위의 기재는, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 균등한 구성을 포함하는 것이라고 간주되어야 한다. 또한, 본 발명의 목적 및 본 발명의 효과를 충분히 이해하기 위해서, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작하는 것이 요망된다.
1: 무선 전력 공급 시스템
2: 급전 공진기
3: 수전 공진기
4: 급전 코일
5: 급전 공진 코일
6: 교류 전원
7: 수전 코일
8: 수전 공진 코일
9: 청색 LED

Claims (5)

  1. 급전 공진기와 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되는 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기의 위치 관계를 전력 공급 범위로 한 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    전력을 공급하는 전력 공급부와,
    상기 전력 공급부로부터 공급된 상기 전력을 자계 에너지로서 송전하는 상기 급전 공진기와,
    상기 급전 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖고, 상기 급전 공진기로부터 송전된 상기 자계 에너지를 전력으로서 수전하는 상기 수전 공진기와,
    상기 수전 공진기가 수전한 상기 전력이 출력되고, 당해 전력이 소정의 유효 전력 이상일 때 작동하는 전력 수급부
    를 구비하고,
    상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기의 위치 관계는, 상기 공진 주파수의 대역에 있어서, 상기 급전 공진기에 공급되는 전력에 대한 상기 전력 수급부에 출력되는 전력의 비율이 상기 유효 전력 이상으로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 급전 공진기는, 상기 전력 공급부에 접속된 급전 코일과 급전 공진 코일을 갖고,
    상기 수전 공진기는, 상기 전력 수급부에 접속된 수전 코일과 수전 공진 코일을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 급전 코일과 상기 급전 공진 코일 사이의 제1 거리, 및 상기 수전 공진 코일과 상기 수전 코일 사이의 제2 거리 중 적어도 하나를 자유롭게 설정 가능한 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 시스템.
  5. 급전 공진기와 수전 공진기를 공진시킴으로써 전력을 자계 에너지로서 송전된 전력이 소정의 유효 전력 이상으로 되는 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기의 위치 관계를 전력 공급 범위로 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 공급 방법.
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