KR20150039809A - 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법 Download PDF

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KR20150039809A
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히사시 츠다
다케조 하타나카
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

급전 모듈 및 수전 모듈의 주변에 발생하는 자계의 강도를 억제하면서, 새로운 기기를 설치하지 않고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없을 경우(대기 상태)에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 저감한다. 교류 전원(6)에 접속된 급전 모듈(2)로부터, 수전 모듈(3)에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 급전 모듈(2)에 대해서, 자계 공간(Z1, Z2)이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 자계 공간(Z1, Z2)이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지는, 전원 주파수에서 작동시키는 무선 전력 전송 장치.

Description

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법 {WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE AND POWER SUPPLY METHOD OF WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 노트북형 PC, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 휴대 게임기, 이어폰형 음악 플레이어, 무선식 헤드셋, 보청기, 리코더 등 사람이 휴대하면서 사용할 수 있는 휴대형 전자 기기가 급속하게 보급되고 있다. 그리고, 이 휴대형의 전자 기기의 다수에는 충전지가 탑재되어 있고, 정기적인 충전이 필요해진다. 이 전자 기기의 충전지에의 충전 작업을 간이하게 하기 위해서, 급전 모듈과 전자 기기에 탑재된 수전 모듈 사이에서 무선에 의한 전력 전송을 이용한 급전 기술(자계를 변화시켜서 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 기술)에 의해, 충전지를 충전하는 기기가 점점 증가하고 있다.
무선 전력 전송 기술로서는, 급전 장치(급전 모듈) 및 수전 장치(수전 모듈)가 구비하는 공진기(코일) 간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
예를 들어, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈이 구비하는 공진기(코일) 간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈을 급전 모듈에 접근시키고, 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)가 되도록 배치하여 사용할 필요가 있다. 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 없을 경우, 급전 모듈에서는, 수전 모듈이 급전 가능 영역에 근접 배치될 것에 대비하여 항상 전력이 계속 공급되어, 불필요하게 전력이 소비되어버리는 문제가 있다(대기 전력이 커진다).
이 문제에 대하여 어떠한 검출부(센서 등)를 급전 모듈 또는 수전 모듈에 설치하고, 그 검출부가, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 배치된 것에 의한 각종 변화를 검출하고, 그 검출 결과를 트리거로 하여 급전 모듈에 전력 공급을 개시하는 대처법이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 2의 급전 시스템의 급전 장치(급전 모듈)에는, 검출부(전류·전압 검출부(113))가 설치되고, 이 검출부에서 측정한 전류값·전압값에 기초하여 임피던스를 구하고, 이 임피던스의 변화(임피던스의 증가량 등: 단락 [0047] 등 참조)를 미리 설정한 역치와 비교함으로써, 급전 장치(급전 모듈)와 2차측 기기(수전 모듈)가 급전 가능 영역에 있는지 여부를 판단하는 구성이 기재되어 있다.
확실히, 상기와 같이 검출부를 설치하여, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 있는지 여부를 판단하면, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없다고 판단한 경우에는, 급전 모듈에의 전력 공급을 멈추어서 불필요하게 전력이 소비되는 것을 방지할 수 있다.
일본 특허 공개 제2010-239769호 공보 일본 특허 공개 제2013-62895호 공보
그러나, 상기와 같이 검출부를 새롭게 설치하는 것은, 비용이 드는 동시에, 급전 모듈의 소형화의 관점에서도 좋지 않다.
또한, 검출부를 설치한 경우에도, 소정의 시간 간격을 두고(간헐적으로) 검출부를 동작시킬 필요가 있고, 이 검출부의 동작에 전력이 필요해지고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없을 경우에도 전력은 소비되게 된다(특허문헌 2의 단락 [0044] 참조).
또한, 상기 무선 전력 전송 기술에서는, 공진 기간의 공진 현상 시에 급전 장치 및 수전 장치가 구비하는 공진기 주변에 자계가 발생한다. 그 결과, 급전 장치나 수전 장치의 내부나 외부에 배치된 정류기, 충전지, 기타의 전자 부품 등에, 자계에 기인하는 와전류가 발생하여 발열되고, 정류기나 충전지나 전자 부품 등에 악영향을 미치는 문제도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 급전 모듈 및 수전 모듈의 주변에 발생하는 자계의 강도를 억제하면서, 새로운 기기를 설치하지 않고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없을 경우(대기 상태)에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 저감할 수 있는 무선 전력 전송 장치, 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 전원에 접속된 급전 모듈에 수전 모듈을 근접시켜서, 상기 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 상기 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킴으로써, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하면서, 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치이며,
상기 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 자계 공간이 형성되고 상기 수전 모듈에 전력이 공급되어 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는, 상기 전원의 전원 주파수에서 작동시키는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킬 정도로, 급전 모듈에 대하여 수전 모듈을 근접시킴으로써, 급전 모듈 및 수전 모듈 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스가, 자계 공간이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치이며, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 적어도 소정의 공진 주파수에서 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의해 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향이 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다 저주파수 측으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에서는, 공진 현상을 이용한 전력 전송을 행할 때, 급전 모듈에 수전 모듈을 근접시킴으로써, 급전 공진기와 수전 공진기의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이렇게 결합 계수가 높은 상태에서, 전송 특성 『S21』(급전 모듈로부터 수전 모듈에 전력을 송전할 때의 송전 효율의 지표가 되는 값)을 해석하면, 그 해석 파형은 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리된다.
그리고, 이 저주파측의 주파수에, 전원의 전원 주파수를 설정함으로써, 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향으로 되고, 급전 모듈의 외주측에 발생하는 자계와 수전 모듈의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 모듈 및 수전 모듈의 외주측에 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 모듈 및 수전 모듈의 외주측 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 급전 모듈 및 수전 모듈의 외주측에 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스가, 급전 모듈 및 수전 모듈의 외주측에 자계 공간이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치이며, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 적어도 소정의 공진 주파수에서 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의해 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향이 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다 고주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에서는, 공진 현상을 이용한 전력 전송을 행할 때, 급전 모듈에 수전 모듈을 근접시킴으로써, 급전 공진기와 수전 공진기의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이렇게 결합 계수가 높은 상태에서, 전송 특성 『S21』(급전 모듈로부터 수전 모듈에 전력을 송전할 때의 송전 효율의 지표가 되는 값)을 해석하면, 그 해석 파형은 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리된다.
그리고, 이 고주파측의 주파수에, 전원의 전력 주파수를 설정함으로써, 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향으로 되고, 급전 모듈의 내주측에 발생하는 자계와 수전 모듈의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 모듈 및 수전 모듈의 내주측에 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 모듈 및 수전 모듈의 내주측 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 급전 모듈 및 수전 모듈의 내주측에 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스가, 급전 모듈 및 수전 모듈의 내주측에 자계 공간이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치이며, 상기 급전 모듈은 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기를 구비하고, 상기 수전 모듈은 수전 코일을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스를, 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖는 급전 모듈의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이것에 의하면, 급전 모듈은 적어도 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기의 3개의 요소로 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소가 많아진다. 그리고, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소가 많아지게 되면, 전원의 전원 주파수에 대한 급전 모듈의 입력 임피던스 관계를 결정하기 위한 요소도 많아지기 때문에, 급전 모듈의 설계 자유도를 높일 수 있다.
또한, 수전 모듈을 수전 코일을 갖는 구성으로 하고 있기 때문에, 수전 모듈의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치이며, 상기 급전 모듈은 급전 코일 및 급전 공진기를 구비하고, 상기 수전 모듈은 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스를, 급전 코일 및 급전 공진기를 갖는 급전 모듈의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이것에 의하면, 급전 모듈은 적어도 급전 코일 및 급전 공진기의 2개의 요소로 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소가 많아진다. 그리고, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소가 많아진다는 것은, 전원의 전원 주파수에 대한 급전 모듈의 입력 임피던스 관계를 결정하기 위한 요소도 많아지기 때문에, 급전 모듈의 설계 자유도를 높일 수 있다.
또한, 수전 모듈을 수전 코일을 갖는 구성으로 하고 있기 때문에, 수전 모듈의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치이며, 상기 급전 모듈은 급전 코일을 구비하고, 상기 수전 모듈은 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스를 급전 코일의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이것에 의하면, 급전 모듈은, 주로 급전 코일에 1개의 요소로 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있다. 그리고, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있게 되면, 전원의 전원 주파수에 대한 급전 모듈의 입력 임피던스 관계를 결정하기 위한 요소도 단일화할 수 있기 때문에, 급전 모듈의 설계 간소화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 전원에 접속된 급전 모듈에 수전 모듈을 근접시켜서, 상기 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 상기 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킴으로써, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하면서, 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법이며,
상기 전원의 전원 주파수를, 상기 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 자계 공간이 형성되어 상기 수전 모듈에 전력이 공급되어 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는 대역으로 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킬 정도로, 급전 모듈에 대하여 수전 모듈을 근접시킴으로써, 급전 모듈 및 수전 모듈 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스가, 자계 공간이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
급전 모듈 및 수전 모듈의 주변에 발생하는 자계의 강도를 억제하면서, 새로운 기기를 설치하지 않고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없을 경우(대기 상태)에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 저감할 수 있는 무선 전력 전송 장치, 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 급전 모듈을 탑재한 충전기, 및 수전 모듈을 탑재한 무선식 헤드셋의 설명도이다.
도 2는 대기 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 설명도이다.
도 3은 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 4는 자계 공간의 형성 장소를 설명한 설명도이다.
도 5는 네트워크 애널라이저에 접속한 무선 전력 전송 장치의 설명도이다.
도 6은 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 동상 공진 모드의 설명도이고, 도 7b는 동상 공진 모드에서의 자계 벡터 도이다.
도 8a는 동상 공진 모드에서의 급전 모듈 및 수전 모듈을 측면으로부터 본 자계 강도 분포이고, 도 8b는 도 8a의 급전 모듈 및 수전 모듈의 A-A 단면도이다.
도 9a는 역상 공진 모드의 설명도이고, 도 9b는 역상 공진 모드에서의 자계 벡터 도이다.
도 10a는 역상 공진 모드에서의 급전 모듈 및 수전 모듈을 측면으로부터 본 자계 강도 분포이고, 도 10b는 도 10a의 급전 모듈 및 수전 모듈의 B-B 단면도이다.
도 11은 실시예 1-1에 관한 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 12는 실시예 1-1에 관한 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 1-2에 관한 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 14는 실시예 1-2에 관한 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예 1-3에 관한 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 16은 실시예 1-3에 관한 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예 2-1에 관한 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 18은 실시예 2-1에 관한 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 실시예 2-2에 관한 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 20은 실시예 2-2에 관한 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 21은 실시예 2-3에 관한 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도이다.
도 22는 실시예 2-3에 관한 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 23은 급전 모듈을 탑재한 충전기, 및 수전 모듈을 탑재한 무선식 헤드셋의 설계 방법을 설명한 흐름도이다.
이하에 본 발명의 무선 전력 전송에 사용하는 무선 전력 전송 장치(1), 및 무선 전력 전송 장치(1)의 전력 공급 방법의 실시 형태에 대하여 설명한다.
(실시 형태)
먼저, 본 실시 형태에서는, 무선 전력 전송을 실현하는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 주된 구성 요소로 하는 무선 전력 전송 장치(1)를 도 1에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구비한 충전기(101), 및 수전 모듈(3)을 구비한 무선식 헤드셋(102)을 예로 들어 설명한다.
(충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)의 구성)
충전기(101)는 도 1에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 가진 급전 모듈(2)을 구비하고 있다. 또한, 무선식 헤드셋(102)은 이어폰 스피커부(102a), 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 가진 수전 모듈(3)을 구비하고 있다. 그리고, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)에는, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를 소정의 값으로 설정한 발진 회로를 구비한 교류 전원(6)이 접속되고, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)에는, 수전된 교류 전력을 정류화하는 안정 회로(7) 및 과충전을 방지하는 충전 회로(8)를 통해 충전지(9)가 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는, 설명의 사정상, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 충전지(9)를 수전 모듈(3)의 밖에 기재하고 있지만, 실제로는, 솔레노이드 형상의 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주 측에 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 안정 회로(7), 충전 회로(8), 및 충전지(9)는 도 1에 도시한 바와 같이, 최종적인 전력의 급전처가 되는 피급전 기기(10)이며, 피급전 기기(10)는 수전 모듈(3)에 접속된 전력 급전처의 기기 전체의 총칭이다. 또한, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 무선 전력 전송 장치(1)라고 하고 있다.
또한, 도시하지 않지만, 충전기(101)는 무선식 헤드셋(102)을 수납하기 위한, 무선식 헤드셋(102)의 형상에 입각한 수납 홈이 설치되어 있고, 이 충전기(101)의 수납 홈에 무선식 헤드셋(102)을 수납함으로써, 충전기(101)가 구비하는 급전 모듈(2)과 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 수전 모듈(3)이 대향 배치되도록 무선식 헤드셋(102)을 위치 결정할 수 있게 되어 있다.
급전 코일(21)은 교류 전원(6)으로부터 얻어진 전력을 전자기 유도에 의해 급전 공진기(22)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(21)은 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기(R1), 코일(L1), 및 콘덴서(C1)를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일(L1) 부분은, 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 급전 코일(21)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고 있고, 본 실시 형태에서는, 급전 코일(21)을 구성하는 저항기(R1), 코일(L1), 및 콘덴서(C1)을 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 한다. 또한, 급전 코일(21)에 흐르는 전류를 I1이라 한다.
수전 코일(31)은 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자기 유도에 의해 수전하고, 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해 충전지(9)에 공급하는 역할을 한다. 이 수전 코일(31)은 급전 코일(21)과 마찬가지로, 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기(R4), 코일(L4), 및 콘덴서(C4)를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일(L4) 부분은, 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 수전 코일(31)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고 있고, 본 실시 형태에서는, 수전 코일(31)을 구성하는 저항기(R4), 코일(L4), 및 콘덴서(C4)를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 한다. 또한, 수전 코일(31)에 접속된 피급전 기기(10)의 합계 임피던스를 ZL이라 하지만, 본 실시 형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 수전 코일(31)에 접속된 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 충전지(9)(피급전 기기(10))의 각 부하 임피던스를 맞춘 것을 편의적으로 저항기(RL)(ZL에 상당)라고 하고 있다. 또한, 수전 코일(31)에 흐르는 전류를 I4라 한다.
급전 공진기(22)는 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기(R2), 코일(L2), 및 콘덴서(C2)를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기(R3), 코일(L3), 및 콘덴서(C3)를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 그리고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는 각각 공진 회로가 되고, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 여기서, 자계 공명 상태(공진 현상)란, 2개 이상의 코일이 공진 주파수 대역에 있어서 공진하는 것을 말한다. 또한, 급전 공진기(22)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 하고, 본 실시 형태에서는, 급전 공진기(22)를 구성하는, 저항기(R2), 코일(L2), 및 콘덴서(C2)를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 한다. 또한, 수전 공진기(32)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 하고, 본 실시 형태에서는, 수전 공진기(32)를 구성하는, 저항기(R3), 코일(L3), 및 콘덴서(C3)를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 한다. 또한, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류를 I2라 하고, 수전 공진기(32)에 흐르는 전류를 I3이라 한다.
또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)에 있어서의 공진 회로로서의 RLC 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, (식 1)에 의해 정해지는 f가 공진 주파수가 된다. 그리고, 본 실시 형태에 있어서의 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)의 공진 주파수는, 1.0MHz로 하고 있다.
Figure pct00001
···(식 1)
또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 상기와 같이 일치시키고 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는 코일을 사용한 공진기라면, 스파이럴형이나 솔레노이드형 등의 코일이어도 된다.
또한, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리를 d12라 하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리를 d23이라 하고, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리를 d34라 하고 있다(도 1 참조).
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)의 코일(L1)과 급전 공진기(22)의 코일(L2) 사이의 상호 인덕턴스를 M12, 급전 공진기(22)의 코일(L2)과 수전 공진기(32)의 코일(L3) 사이의 상호 인덕턴스를 M23, 수전 공진기(32)의 코일(L3)과 수전 코일(31)의 코일(L4) 사이의 상호 인덕턴스를 M34라 하고 있다. 또한, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서, 코일(L1)과 코일(L2) 사이의 결합 계수를 k12 로 표기하고, 코일(L2)과 코일(L3) 사이의 결합 계수를 k23으로 표기하고, 코일(L3)과 코일(L4) 사이의 결합 계수를 k34로 표기하고 있다.
또한, 급전 코일(21)의 RLC 회로 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 및 결합 계수 k12, k23, k34는, 설계·제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로서 설정된다.
상기 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 의하면, 급전 공진기(22)의 공진 주파수와 수전 공진기(32)의 공진 주파수를 일치시킨 경우, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이에 자계 공명 상태를 창출할 수 있다. 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 공진한 상태에서 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 전력을 자계 에너지로서 전송하는 것이 가능하게 되고, 급전 모듈(2)을 구비한 충전기(101)로부터, 수전 모듈(3)을 구비한 무선식 헤드셋(102)에 전력이 무선 전송되어, 무선식 헤드셋(102) 내에 설치된 충전지(9)가 충전된다.
(자계 강도를 약화시킨 자계 공간의 형성)
본 실시 형태에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 발생하는 자계의 강도를 억제하기 위해서, 자계 강도를 약화시킨 자계 공간을 형성한다. 구체적으로는, 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)의 급전 공진기(22)로부터 수전 모듈(3)의 수전 공진기(32)에 공진 현상을 이용한 전력 공급을 할 때 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 원하는 위치에, 당해 원하는 위치 이외의 자계 강도보다 자계 강도가 작은 자계 공간(Z1) 또는 자계 공간(Z2)을 형성한다. 여기서, 원하는 위치란, 상세는 후술하는데, 급전 모듈(2)에 있어서의 코일(급전 공진기(22)) 또는 수전 모듈(3)에 있어서의 코일(수전 공진기(32))의 내주 측의 공간(자계 공간(Z2)) 또는 외주 측의 공간(자계 공간(Z1))을 말한다.
(자계 공간이 형성되는 장소)
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)에 내장되는 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))를 네트워크 애널라이저(110)(본 실시 형태에서는, 아질렌트·테크놀로지 가부시끼가이샤 제조의 E5061B를 사용)에 접속하고, 자계 공간이 형성되는 장소에 대하여 설명한다. 또한, 자계 공간을 측정할 때는, 전자계 해석을 사용하여 해석하고, 자계 강도를 색조로 표시시킴으로써 측정한다.
먼저, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 바꾸면서 전송 특성 『S21』을 해석한다. 이때, 도 6의 그래프에 도시한 바와 같이, 횡축을 출력 단자(111)로부터 출력되는 교류 전력의 전원 주파수로 하고, 종축을 전송 특성 『S21』로 하여 해석한다.
또한, 전송 특성 『S21』이란, 네트워크 애널라이저(110)를 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 접속하여 계측되는 신호를 나타내고, 데시벨 표시되어, 수치가 클수록 전력 전송 효율이 높은 것을 의미한다. 또한, 전력 전송 효율이란, 네트워크 애널라이저(110)에 무선 전력 전송 장치(1)를 접속한 상태에서, 출력 단자(111)로부터 급전 모듈(2)에 공급되는 전력에 대한 입력 단자(112)에 출력되는 전력의 비율을 말한다. 즉, 전송 특성 『S21』이 높을수록, 전력 전송 효율이 높아지는 것을 의미한다.
본 실시 형태에서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 해석된 전송 특성 『S21』의 해석 파형(도 6의 실선(52))이 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리하는 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정된다. 또한, 분리한 피크 중, 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』은, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 사이의 자계에 의한 결합 정도(자계 결합)의 강도에 의해, 단봉성의 성질을 갖는 것과 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 나뉜다. 그리고, 단봉성이란, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 하나이고, 그 피크가 공진 주파수 대역(f0)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 6의 파선(51) 참조). 한편, 쌍봉성이란, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 둘이고, 그 둘의 피크가 공진 주파수보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 드러나는 것을 말한다(본 실시 형태의 해석 결과에 관한 도 6의 실선(52) 참조). 더욱 상세하게 쌍봉성을 정의하면, 상기 네트워크 애널라이저(110)에 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 접속하여 계측되는 반사 특성 『S11』이 두 개의 피크를 갖는 상태를 말한다. 따라서, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 일견하여 하나로 보였다고 해도, 계측되어 있는 반사 특성 『S11』이 두 개의 피크를 갖는 경우에는, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 한다.
가령, 단봉성의 성질을 갖도록 설정하면, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 전송 특성 『S21』은, 도 6의 파선(51)에 도시한 바와 같이, 전원 주파수가 공진 주파수(f0)의 대역에서 최대화된다(전력 전송 효율이 최대화됨).
한편, 본 실시 형태와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 6의 실선(52)에 도시한 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수(f0)보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수(f0)보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 최대화한다. 또한, 일반적으로, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리가 동일하면, 쌍봉성에 있어서의 전송 특성 『S21』의 최댓값(fL 또는 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값)은 단봉성에 있어서의 전송 특성 『S21』의 최댓값(f0에서의 전송 특성 『S21』의 값)보다 낮은 값이 된다.
또한, 본 실시예에서는, 해석된 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리할 정도로 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 근접 배치되어 있으면 된다. 또한, 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖기 위해서는, 급전 코일(21)의 RLC 회로 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 결합 계수 k12, k23, k34, 코일 간 거리 d12, d23, d34 등의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 변경 가능한 파라미터를 설정함으로써 실현된다.
그리고, 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 쌍봉성을 나타내는 경우에, 공진 주파수(f0)보다 낮은 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동 위상에서 공진 상태를 포함하고, 도 7a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향(22A)과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향(32A)이 동일 방향으로 된다. 그 결과, 도 7b의 자계 벡터 도에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계 강도)보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z1)을 형성할 수 있다. 여기서, 급전 모듈(2)에 있어서의 코일(급전 공진기(22))에 흐르는 전류의 방향과 수전 모듈(3)에 있어서의 코일(수전 공진기(32))에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향이 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라고 칭하기로 한다. 또한, 동상 공진 모드에서, 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 쌍봉성을 나타내는 경우에, 공진 주파수(f0)보다 낮은 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 광의의 동상 공진 모드(도 6 참조)라고 정의하고, 또한 『S21』의 해석 파형의 공진 주파수(f0)보다 낮은 주파수 대역에 드러나는 피크(fL) 부근(『S21』의 값이 약 -10dB 이상이 되는 범위)의 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 협의의 동상 공진 모드(도 6 참조)라고 정의한다. 또한, 협의의 동상 공진 모드에서, 『S21』의 해석 파형의 공진 주파수(f0)보다 낮은 주파수 대역에 드러나는 피크(fL)에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 최협의의 동상 공진 모드라고 한다.
상기 최협의의 동상 공진 모드에서의 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32) 주변의 자계 강도 분포를, 도 8a 및 도 8b에, 전자계 해석을 사용하여 해석하고, 자계 강도를 색조로 표시시킨 해석 결과로서 나타낸다. 이 도 8a 및 도 8b의 자계 강도 분포로부터도, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 비교적 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z1)을 확인할 수 있다. 또한, 도 8a는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 측면으로부터 본 자계 강도 분포이며, 도 8b는 도 8a의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 A-A 단면도이다.
한편, 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 쌍봉성을 나타내는 경우에, 공진 주파수(f0)보다 높은 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 역위상으로 공진 상태를 포함하고, 도 9a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향(22A)과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향(32A)이 역방향으로 된다. 그 결과, 도 9b의 자계 벡터 도에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측의 자계 강도)보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z2)을 형성할 수 있다. 여기서, 급전 모듈(2)에 있어서의 코일(급전 공진기(22))에 흐르는 전류의 방향과 수전 모듈(3)에 있어서의 코일(수전 공진기(32))에 흐르는 전류의 방향이 역방향이 되는 공진 상태를 역상 공진 모드로 칭하기로 한다. 또한, 역상 공진 모드에서, 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 쌍봉성을 나타내는 경우에, 공진 주파수(f0)보다 높은 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 광의의 역상 공진 모드(도 6 참조)라고 정의하고, 또한 『S21』의 해석 파형의 공진 주파수(f0)보다 높은 주파수 대역에 드러나는 피크(fH) 부근(『S21』의 값이 약 -10dB 이상이 되는 범위)의 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 협의의 역상 공진 모드(도 6 참조)라고 정의한다. 또한, 협의의 역상 공진 모드에서, 『S21』의 해석 파형의 공진 주파수(f0)보다 높은 주파수 대역에 드러나는 피크(fH)에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 최협의의 역상 공진 모드로 한다.
상기 최협의의 역상 공진 모드에서의 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32) 주변의 자계 강도 분포를, 도 10a 및 도 10b에, 전자계 해석을 사용하여 해석하고, 자계 강도를 색조로 표시한 해석 결과로서 나타낸다. 이 도 10a 및 도 10b의 자계 강도 분포로부터도, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 비교적 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z2)을 확인할 수 있다. 또한, 도 10a는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 측면으로부터 본 자계 강도 분포이며, 도 10b는 도 10a의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 B-B 단면도이다.
상기에 의하면, 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))에 대해서, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급할 때, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 동상 공진 모드로 설정함으로써, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향으로 되고, 급전 공진기(22)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z1)을 형성할 수 있다.
그리고, 이 자계 공간(Z1)에 자계의 영향을 저감시키고 싶은 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납했을 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감·방지하고, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기한 바와 같이 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))에 대해서, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급할 때, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 역상 공진 모드로 설정함으로써, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되고, 급전 공진기(22)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z2)을 형성할 수 있다.
그리고, 이 자계 공간(Z2)에 자계의 영향을 저감시키고 싶은 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납했을 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감·방지하고, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 역상 공진 모드에 의해 형성되는 자계 공간은, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에 형성되므로, 이 공간에 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등의 전자 부품을 내장함으로써 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 자체의 콤팩트화·설계 자유도의 향상이 실현된다.
(대기 상태의 입력 임피던스와 급전 상태의 입력 임피던스 관계)
먼저, 본 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 급전 상태 및 대기 상태의 개념에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 전력이 공급되어 있는 상태를 급전 상태로 한다. 이 급전 상태는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 자계 공명 상태를 창출했을 때라고도 할 수 있다. 또한, 급전 상태는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리(d23)가 어느 정도 근접 배치되었을 경우(급전 가능 영역)에 성립하는 상태이기도 하다. 또한, 이 급전 상태에서는, 상술한 자계 공간(Z1 또는 Z2)이 형성되어 있는 상태라고도 할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 무선식 헤드셋(102)에 있어서의 충전지(9)에 충전이 이루어져 있는 상태가 급전 상태라고 할 수 있다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 전력이 공급되고 있지 않은 상태를 대기 상태로 한다. 이 대기 상태는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 자계 공명 상태를 창출하고 있지 않을 때라고도 할 수 있다. 또한, 대기 상태는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리(d23)가, 상기 자계 공명 상태를 창출하지 않는 정도의 배치 관계에 있을 경우에 성립하는 상태이기도 하다. 또한, 이 대기 상태에서는, 상술한 자계 공간(Z1 또는 Z2)이 형성되지 않은 상태라고도 할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 무선식 헤드셋(102)에 있어서의 충전지(9)에 충전이 이루어져 있지 않은 상태가 대기 상태라고 할 수 있다.
이어서, 상기 대기 상태, 및 급전 상태의 개념을 근거로 하여, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감하기 위한, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태의 입력 임피던스와 급전 상태의 입력 임피던스와의 관계를 설명한다.
먼저, 무선 전력 전송을 이용한 전력 전송에 있어서, 대기 상태에 있어서의 소비 전력을 저감시킬 필요성을 설명한다. 상술한 바와 같이, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈(3)을 급전 모듈(2)에 접근하고, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)가 되도록 배치하여 사용할 필요가 있다. 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈(2)과 수전 모듈(3)이 급전 가능 영역 내에 없을 경우(대기 상태), 급전 모듈(2)에서는, 수전 모듈(3)이 급전 가능 영역에 근접 배치되는 것(급전 상태)에 대비하여 항상 전력이 계속 공급된 상태가 된다.
그렇게 하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력은 낭비되어버린다.
한편, 대기 상태에서는, 수전 모듈(3)이 급전 가능 영역에 근접 배치되었을 때, 바로 급전 상태로 이행할 수 있도록 급전 모듈(2)에 전력을 계속 공급할 필요가 있다.
그렇게 하면, 대기 상태에 있어서의 소비 전력은, 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 억제되는 것이 요구된다.
따라서, 대기 상태에 있어서의 소비 전력을, 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 억제하기 위해서는, 소비 전력(P)은 하기 (식 2)에 의해 산출되는 점에서, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스(Zin)의 값을, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스(Zin)의 값보다 크게 하면 되는 것을 알 수 있다. 또한, 교류 전원(6)에 의해 급전 모듈(2)에 인가되는 전압(V)(실효값)은 일정하게 유지되기 때문에, 전압(V)은 가변 요소로는 하고 있지 않다.
Figure pct00002
···(식 2)
따라서, 본 실시 형태에 따른 급전 모듈(2)은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지도록 설정되고, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지는 전원 주파수에서 작동시킴으로써 실현된다. 그리고, 이렇게 구성함으로써, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
이하 실시예를 나타내서 설명한다. 이하의 실시예에서는, 여러 가지 구성을 한 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 사용하여, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)와 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)를 측정하였다. 또한, 실시예에서는, 안정 회로(7), 충전 회로(8), 및 충전지(9) 대신 가변 저항기(11)(Rl)를 접속하여 측정하고 있다.
또한, 실시예 1-1 내지 실시예 2-3에서는, 급전 상태에 있어서의, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 해석하고 있다.
(실시예 1-1)
실시예 1-1에 관한 급전 모듈(2)은 도 11에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 그리고, 급전 코일(21)은 저항기(R1), 코일(L1), 및 콘덴서(C1)를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고(공진 있음), 코일(L1) 부분은, 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 마찬가지로, 수전 코일(31)도, 저항기(R4), 코일(L4), 및 콘덴서(C4)를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고, 코일(L4) 부분은, 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 급전 공진기(22)는 저항기(R2), 코일(L2), 및 콘덴서(C2)를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고, 코일(L2) 부분은, 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 수전 공진기(32)는 저항기(R3), 코일(L3), 및 콘덴서(C3)를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고, 코일(L3) 부분은, 선 직경 0.4 mmφ의 동 선재(절연 피막을 구비함)를 18회 감은 코일 직경 15mmφ의 솔레노이드 코일이다. 그리고, 실시예 1-1에 있어서의 R1, R2, R3, R4의 값을 각각, 0.5Ω으로 설정하였다. 또한, L1, L2, L3, L4의 값을 각각, 4.5μH로 설정하였다. 또한, 피급전 기기(10)의 RL은 100Ω이다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)에 있어서의 공진 주파수는 1.0MHz이다. 또한, 각 결합 계수 k12, k23, k34는 0.3이다(또한, 급전 상태에서의 결합 계수의 값임).
대기 상태에서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 1-1에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 12의 파선)와 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 12의 실선)의 측정 결과를 도 12에 나타내었다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)(도 12의 파선)가 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)(도 12의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.78 내지 0.84MHz의 대역 A1, 약 0.92 내지 1.09MHz의 대역 A2, 및 약 1.28 내지 1.5(측정 상한)MHz의 대역 A3의 3개의 대역이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 자계 공간(Z1, Z2)을 형성하는 것도 목적의 하나로 하고 있다. 구체적으로는, 실시예 1-1에서는, 자계 공간(Z1)을 형성할 때 설정하는, 협의의 동상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 0.83MHZ 이상, 1.00MHz 미만의 대역 a1이다(도 12 참조). 한편, 자계 공간(Z2)을 형성할 때 설정하는, 협의의 역상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.37MHz 이하인 대역 a2이다(도 12 참조).
상기로부터, 실시예 1-1에 있어서, 자계 공간(Z1)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 0.83 내지 0.84MHz의 대역, 및 0.92MHz 이상 1.00MHz 미만의 대역이 된다. 따라서, 실시예 1-1에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z1)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 0.83 내지 0.84MHz의 대역, 또는 0.92MHz 이상 1.00MHz 미만의 대역으로 설정하여 사용한다. 또한, 자계 공간(Z2)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.09MHz 이하인 대역, 및 1.28 내지 1.37MHz인 대역이 된다. 따라서, 실시예 1-1에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z2)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 1.00MHz보다 크고 1.09MHz 이하인 대역, 또는 1.28 내지 1.37MHz인 대역으로 설정하여 사용한다.
(실시예 1-2)
실시예 1-2에 관한 급전 모듈(2)은 도 13에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)를 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31) 각각의 구성은 실시예 1-1과 마찬가지이다.
대기 상태에서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 1-2에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 14의 파선)와 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 14의 실선)의 측정 결과를 도 14에 도시한다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)(도 14의 파선)가 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)(도 14의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.87 내지 0.89MHz의 대역 B1, 및 약 1.14 내지 1.22MHz의 대역 B2의 2개의 대역이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 자계 공간(Z1, Z2)을 형성하는 것도 목적 중 하나로 하고 있다. 실시예 1-2도, 실시예 1-1과 마찬가지로, 자계 공간(Z1)을 형성할 때 설정하는, 협의의 동상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 0.83MHZ 이상, 1.00MHz 미만의 대역 a1이다(도 14 참조). 한편, 자계 공간(Z2)을 형성할 때 설정하는, 협의의 역상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.37MHz 이하인 대역 a2이다(도 14 참조).
상기로부터, 실시예 1-2에 있어서, 자계 공간(Z1)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 0.87 내지 0.89MHz의 대역이 된다. 따라서, 실시예 1-2에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z1)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 0.87 내지 0.89MHz로 설정하여 사용한다. 또한, 자계 공간(Z2)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 1.14 내지 1.22MHz의 대역이 된다. 따라서, 실시예 1-2에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z2)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 1.14 내지 1.22MHz로 설정하여 사용한다.
(실시예 1-3)
실시예 1-3에 관한 급전 모듈(2)은 도 15에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)을 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31) 각각의 구성은 실시예 1-1과 마찬가지이다.
대기 상태에서는, 도 15에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 및 수전 모듈(3)을 구성하는 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 1-3에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 16의 파선)와 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 16의 실선)의 측정 결과를 도 16에 나타내었다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)(도 16의 파선)가 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)(도 16의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.60 내지 0.85MHz의 대역 C1, 및 약 1.25 내지 1.5(측정 상한)MHz의 대역 C2의 2개의 대역이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 자계 공간(Z1, Z2)을 형성하는 것도 목적 중 하나로 하고 있다. 실시예 1-3도, 실시예 1-1과 마찬가지로, 자계 공간(Z1)을 형성할 때 설정하는, 협의의 동상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 0.83MHZ 이상, 1.00MHz 미만의 대역 a1이다(도 16 참조). 한편, 자계 공간(Z2)을 형성할 때 설정하는, 협의의 역상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.37MHz 이하인 대역 a2이다(도 16 참조).
상기로부터, 실시예 1-3에 있어서, 자계 공간(Z1)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 0.83 내지 0.85MHz의 대역이 된다. 따라서, 실시예 1-3에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z1)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 0.83 내지 0.85MHz로 설정하여 사용한다. 또한, 자계 공간(Z2)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 1.25 내지 1.37MHz의 대역이 된다. 따라서, 실시예 1-3에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z2)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 1.25 내지 1.37MHz로 설정하여 사용한다.
(실시예 2-1)
실시예 2-1 내지 실시예 2-3은, 실시예 1-1 내지 실시예 1-3과는 달리, 급전 모듈(2)에 포함되는 급전 코일(21)을 구성하는 RLC 회로(저항기(R1), 코일(L1), 및 콘덴서(C1))의 콘덴서(C1)가, 도 17, 도 19, 도 21에 도시한 바와 같이, 병렬 접속되어 있다.
실시예 2-1에 관한 급전 모듈(2)은 도 17에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 그리고, 전술한 바와 같이 급전 코일(21)은 저항기(R1), 코일(L1), 및 콘덴서(C1)를 요소로 한 RLC 회로이며, 콘덴서(C1)가 병렬 접속되어 있다. 또한, 다른 구성은 실시예 1-1과 마찬가지이다.
대기 상태에서는, 도 17에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 2-1에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 18의 파선)와 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 18의 실선)의 측정 결과를 도 18에 나타내었다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)(도 18의 파선)가 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)(도 18의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.84 내지 0.93MHz의 대역 D1, 및 약 1.12 내지 1.30MHz의 대역 D2의 2개의 대역이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 자계 공간(Z1, Z2)을 형성하는 것도 목적 중 하나로 하고 있다. 구체적으로는, 실시예 2-1에서는, 자계 공간(Z1)을 형성할 때 설정하는, 협의의 동상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 0.83MHZ 이상, 1.00MHz 미만의 대역 b1이다(도 18 참조). 한편, 자계 공간(Z2)을 형성할 때 설정하는, 협의의 역상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.43MHz 이하인 대역 b2이다(도 18 참조).
상기로부터, 실시예 2-1에 있어서, 자계 공간(Z1)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 0.84 내지 0.93MHz의 대역이 된다. 따라서, 실시예 2-1에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z1)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 0.84 내지 0.93MHz로 설정하여 사용한다. 또한, 자계 공간(Z2)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 1.12 내지 1.30MHz의 대역이 된다. 따라서, 실시예 2-1에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z2)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 1.12 내지 1.30MHz로 설정하여 사용한다.
(실시예 2-2)
실시예 2-2에 관한 급전 모듈(2)은 도 19에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)를 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31) 각각의 구성은 실시예 2-1과 마찬가지이다.
대기 상태에서는, 도 19에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 2-2에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 20의 파선)와 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 20의 실선)의 측정 결과를 도 20에 나타내었다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)(도 20의 파선)가 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)(도 20의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.83 내지 0.84MHz의 대역 E1, 약 0.98 내지 1.02MHz의 대역 E2, 및 약 1.30 내지 1.35MHz의 대역 E3의 3개의 대역이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 자계 공간(Z1, Z2)을 형성하는 것도 목적 중 하나로 하고 있다. 실시예 2-2도, 실시예 2-1과 마찬가지로, 자계 공간(Z1)을 형성할 때 설정하는, 협의의 동상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 0.83MHZ 이상, 1.00MHz 미만의 대역 b1이다(도 20 참조). 한편, 자계 공간(Z2)을 형성할 때 설정하는, 협의의 역상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.43MHz 이하인 대역 b2이다(도 20 참조).
상기로부터, 실시예 2-2에 있어서, 자계 공간(Z1)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 0.83 내지 0.84MHz의 대역, 및 0.98MHz 이상 1.00MHz 미만의 대역이 된다. 따라서, 실시예 2-2에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z1)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 0.83 내지 0.84MHz의 대역, 또는 0.98MHz 이상 1.00MHz 미만의 대역으로 설정하여 사용한다. 또한, 자계 공간(Z2)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.02MHz 이하인 대역, 및 1.30 내지 1.35MHz인 대역이 된다. 따라서, 실시예 2-2에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z2)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 1.00MHz보다 크고 1.02MHz 이하인 대역, 또는 1.30 내지 1.35MHz인 대역으로 설정하여 사용한다.
(실시예 2-3)
실시예 2-3에 관한 급전 모듈(2)은 도 21에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)을 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)각각의 구성은 실시예 2-1과 마찬가지이다.
대기 상태에서는, 도 21에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 및 수전 모듈(3)을 구성하는 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 2-3에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 22의 파선)와 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스(Zin)(도 22의 실선)의 측정 결과를 도 22에 나타내었다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)(도 22의 파선)가 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)(도 22의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.86 내지 1.28MHz의 대역 F1이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 주변에 자계 공간(Z1, Z2)을 형성하는 것도 목적 중 하나로 하고 있다. 실시예 2-3도, 실시예 2-1과 마찬가지로, 자계 공간(Z1)을 형성할 때 설정하는, 협의의 동상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 0.83MHZ 이상, 1.00MHz 미만의 대역 b1이다(도 22 참조). 한편, 자계 공간(Z2)을 형성할 때 설정하는, 협의의 역상 공진 모드가 되는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.43MHz 이하인 대역 b2이다(도 22 참조).
상기로부터, 실시예 2-3에 있어서, 자계 공간(Z1)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 0.86MHz 이상 1.00MHz 미만의 대역이 된다. 따라서, 실시예 2-3에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z1)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 0.86MHz 이상 1.00MHz 미만의 대역으로 설정하여 사용한다. 또한, 자계 공간(Z2)을 형성하면서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 크게 하는 전원 주파수 대역은, 1.00MHz보다 크고 1.28MHz 이하인 대역이 된다. 따라서, 실시예 2-3에 관한 무선 전력 전송 장치(1)를 사용할 때는, 자계 공간(Z2)을 형성하고 싶은 경우에는, 교류 전원(6)의 전원 주파수 대역을, 1.00MHz보다 크고 1.28MHz 이하인 대역으로 설정하여 사용한다.
상기 실시예 1-1 내지 실시예 2-3에서 설명한 바와 같이, 상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2) 주변에 발생하는 자계와 수전 모듈(3) 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킬 정도로, 급전 공진기(22)에 대하여 수전 공진기(32)를 근접시킴으로써, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z1, Z2)을 형성할 수 있다. 그리고, 자계 공간(Z1, Z2)이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 자계 공간(Z1, Z2)이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
또한, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지도록 설정하는 요소(파라미터)로서는, 급전 코일(21)의 RLC 회로 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 결합 계수 k12, k23, k34, 부하 임피던스(부하 저항) 등의 설정값을 들 수 있다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 RLC 회로를 직렬로 할지 병렬로 할지 콘덴서를 접속하지 않을지도, 상기 요소(파라미터)가 된다. 또한, 급전 모듈(2)에, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 중 어느 1개를 담을 것인지 여부도 상기 요소(파라미터)가 된다.
또한, 상기 구성에서는, 공진 현상을 이용한 전력 전송을 행할 때, 급전 공진기(22)에 수전 공진기(32)를 근접시킴으로써, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이렇게 결합 계수가 높은 상태에서, 전송 특성 『S21』을 계측하면, 그 해석 파형은 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리된다(쌍봉성).
그리고, 이 저주파측의 주파수 대역(fL)에, 교류 전원(6)의 전원 주파수를 설정함으로써(동상 공진 모드), 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향으로 되고, 급전 모듈(2)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 모듈(3)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 외주측 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z1)을 형성할 수 있다. 그리고, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 외주측에 자계 공간(Z1)이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 외주측에 자계 공간(Z1)이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
또한, 상기 구성에서는, 공진 현상을 이용한 전력 전송을 행할 때, 급전 공진기(22)에 수전 공진기(32)를 근접시킴으로써, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이렇게 결합 계수가 높은 상태에서, 전송 특성 『S21』을 계측하면, 그 해석 파형은 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리된다(쌍봉성).
그리고, 이 고주파측의 주파수 대역(fH)에, 교류 전원(6)의 전력 주파수를 설정함으로써(역상 공진 모드), 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되고, 급전 모듈(2)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 모듈(3)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 내주측 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간(Z2)을 형성할 수 있다. 그리고, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 내주측에 자계 공간(Z2)이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 내주측에 자계 공간(Z2)이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
또한, 실시예 1-2, 실시예 2-2의 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)를 갖는 급전 모듈(2)의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이것에 의하면, 급전 모듈(2)은 적어도 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)에 3개의 요소로 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를 결정하기 위한 요소가 많아진다. 그리고, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를 결정하기 위한 요소가 많아진다는 것은, 교류 전원(6)의 전원 주파수에 대한 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)의 관계를 결정하기 위한 요소도 많아지기 때문에, 급전 모듈(2)의 설계 자유도를 높일 수 있다.
또한, 수전 모듈(3)은 수전 코일(31)을 갖는 구성으로 할 수 있기 때문에, 수전 모듈(3)의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 실시예 1-1, 실시예 2-1의 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 코일(21), 및 급전 공진기(22)를 갖는 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)로서 구성할 수 있다.
이것에 의하면, 급전 모듈(2)은 적어도 급전 코일(21), 및 급전 공진기(22)의 2개의 요소로 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를 결정하기 위한 요소가 많아진다. 그리고, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를 결정하기 위한 요소가 많아진다는 것은, 교류 전원(6)의 전원 주파수에 대한 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)의 관계를 결정하기 위한 요소도 많아지기 때문에, 급전 모듈(2)의 설계 자유도를 높일 수 있다.
또한, 수전 모듈(3)을 수전 공진기(32), 수전 코일(31)을 갖는 구성으로 하고 있기 때문에, 수전 모듈(3)의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 실시예 1-3, 실시예 2-3의 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를, 급전 코일(21)의 입력 임피던스(Zin)로서 구성할 수 있다.
이것에 의하면, 급전 모듈(2)은 주로 급전 코일(21)의 1개의 요소로 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있다. 그리고, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)를 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있게 되면, 교류 전원(6)의 전원 주파수에 대한 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)의 관계를 결정하기 위한 요소도 단일화할 수 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 설계 간소화를 도모할 수 있다.
(설계 방법)
이어서, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 제조하는 일 공정인, 설계 방법(조정)에 대해서, 도 23을 참조하여 설명한다.
본 설계 방법에서 설계되는 것은, 도 1에 도시하는 급전 모듈(2)을 구비한 충전기(101), 및 수전 모듈(3)을 구비한 무선식 헤드셋(102)이다.
먼저, 도 23에 도시한 바와 같이, 충전지(9)의 용량, 및 충전지(9)의 충전에 필요해지는 충전 전류로부터, 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량이 결정된다(S1).
이어서, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리를 결정한다(S2). 이것은, 수전 모듈(3)을 내장한 무선식 헤드셋(102)을 급전 모듈(2)을 내장한 충전기(101)에 적재했을 때의 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23이며, 사용 형태로서는 급전 상태이다. 본 설계 예에서는, 안정 회로(7), 충전 회로(8), 및 충전지(9)를 솔레노이드 형상의 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주측에 배치하기 때문에, 수전 공진기(32)의 내주측에 자계 공간(Z2)을 형성 할 필요가 있다. 그러므로, 자계 공간(Z2)의 형성 장소를 고려하여 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23이 결정된다. 또한, 거리 d23은, 무선식 헤드셋(102)과 충전기(101)의 형상·구조도 고려하여 결정된다.
또한, 무선식 헤드셋(102) 및 충전기(101)의 크기·형상·구조를 근거로 하여, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31), 및 수전 공진기(32)의 코일 직경이 결정된다(S3).
상기 S2 내지 S3의 수순을 거치는 것에 의해, 급전 공진기(22)(코일(L2))와 수전 공진기(32)(코일(L3)) 사이의 결합 계수 k23과, 전력 전송 효율이 결정되게 된다.
상기 S1에서 결정한 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량, 및 S2 내지 S3의 수순을 거쳐서 결정된 전력 전송 효율보다, 급전 모듈(2)에 급전하는 필요 최저한의 급전 전력량이 결정된다(S4).
그리고, 상기 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량, 전력 전송 효율, 및 급전 모듈(2)에 급전하는 필요 최저한의 급전 전력량을 근거로 하여, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)의 설계값이 결정된다(S5).
그리고, 본 설계 예에서는, 상술한 바와 같이, 자계 공간(Z2)을 형성할 수 있도록 역상 공진 모드에서의 전원 주파수 대역에 있어서, S5에서 결정된 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)의 설계값에 기초하여, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지도록, 각 요소(파라미터)를 결정한다. 구체적으로, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지도록 설정하는 요소(파라미터)로서는, 급전 코일(21)의 RLC 회로 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 결합 계수 k12, k23, k34, 부하 임피던스(부하 저항) 등의 설정값을 들 수 있다. 또한, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 RLC 회로를 직렬로 할지 병렬로 할지 콘덴서를 접속하지 않을지도, 상기 요소(파라미터)가 된다. 또한, 급전 모듈(2)에, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 중 어느 1개를 담을 것인지 여부도 상기 요소(파라미터)가 된다.
상기 방법에 의하면, 자계 공간(Z2)이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스(Zin)가, 자계 공간(Z2)이 형성되어 있는 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스(Zin)보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감할 수 있다.
(그 다른 실시 형태)
상기 설명에서는, 무선식 헤드셋(102)을 예시하여 설명했지만, 충전지를 구비한 기기라면, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 이어폰형 음악 플레이어, 보청기, 집음기 등에도 사용할 수 있다.
또한, 상기에서는, 피급전 기기(10)에 충전지(9)를 포함하는 수전 모듈(3)로서 설명했지만, 이에 한정하지 않고, 피급전 기기(10)에 직접 전력을 소비하면서 가동하는 기기를 채용해도 된다.
또한, 상기 설명에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 휴대형의 전자 기기에 탑재했을 경우를 상정하여 설명했지만, 용도는 이들 소형인 것에 한하지 않고, 필요 전력량에 맞춰서 사양을 변경함으로써, 예를 들어, 비교적 대형인 전기 자동차(EV)에 있어서의 무선 충전 시스템이나, 보다 소형인 의료용의 무선식 위 카메라 등에도 탑재할 수 있다.
(자계 공간의 크기 변경)
또한, 상기 실시 형태에서는, 자계 공간(Z1, Z2)을 형성할 수 있는 것에 대하여 설명했지만, 또한 자계 공간(Z1, Z2)은, 그 크기를 변경할 수 있다.
자계 공간(Z1, Z2)의 크기를 변경하기 위해서는, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32) 사이의 자계에 의한 결합 정도(자계 결합)의 강도를 변경함으로써 행하는데, 이 자계 결합을 변화시키기 위해서는, 급전 모듈(2)에 있어서의 급전 코일(21)이나 급전 공진기(22), 및 수전 모듈(3)에 있어서의 수전 코일(31)이나 수전 공진기(32)에 관한 조정 파라미터를 변화시킴으로써 행한다. 이 조정 파라미터를 변화시키는 형태에는, 급전 모듈(2)에 있어서의 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)와의 배치 관계, 및 수전 모듈(3)에 있어서의 수전 코일(31)과 수전 공진기(32)와의 배치 관계를 변화시키는 것이나, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력량을 변화시키는 것이나, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 각 소자(콘덴서, 코일)의 용량이나 인덕턴스를 변화시키는 것이나, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 주파수를 바꾸는 것 등을 들 수 있다.
상기 방법에 의하면, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31), 수전 공진기(32)에 관한 조정 파라미터를 변화시키고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32) 사이에 발생하는 자계 결합의 강도를 변경시키는 것에 의해, 자계 공간(Z1 또는 Z2)의 크기를 변경할 수 있다. 예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 사이에 발생하는 자계 결합을 상대적으로 약화시킴으로써 자계 공간(Z1 또는 Z2)의 크기를 확대할 수 있다. 한편, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32) 사이에 발생하는 자계 결합을 상대적으로 강화함으로써 자계 공간(Z1 또는 Z2)의 크기를 작게 할 수 있다.
(자계 공간의 형상 변경)
또한, 상기 실시 형태에서는, 자계 공간(Z1, Z2)을 형성할 수 있는 것에 대하여 설명했지만, 또한 자계 공간의 형상을 변경할 수 있는 것에 대하여 설명한다.
자계 공간의 형상을 변경하기 위해서는, 예를 들어, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)의 각각의 사이·주변의 자계에 의한 결합 정도(자계 결합)의 강도를 변경함으로써 행하는데, 이 자계 결합을 변화시키기 위해서는, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31), 수전 공진기(32)의 코일 형상을 바꿈으로써 행한다.
상기 방법에 의하면, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31), 수전 공진기(32)를 원하는 형상으로 함으로써, 자계 강도가 상대적으로 약한 자계 공간을, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31), 수전 공진기(32)의 형상을 따른 원하는 형상으로 형성할 수 있다. 즉, 급전 코일(21)·급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)에 있어서의 수전 코일(31)·수전 공진기(32)의 형상을 바꿈으로써, 자계 강도가 상대적으로 약한 자계 공간 Z의 형상을 바꾸는 것이 가능하게 된다.
이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 특징적 부분을 중심으로 설명했지만, 본 발명은 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태·실시예에 한정되지 않고, 그 다른 실시 형태·실시예에도 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 것으로 간주되어야 한다. 또한, 본 발명의 목적 및 본 발명의 효과를 충분히 이해하기 위해서, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작할 것이 요망된다.
2: 급전 모듈
3: 수전 모듈
6: 교류 전원
7: 안정 회로
8: 충전 회로
9: 충전지
10: 피급전 기기
11: 가변 저항기
21: 급전 코일
22: 급전 공진기
31: 수전 코일
32: 수전 공진기
102: 무선식 헤드셋
101: 충전기
110: 네트워크 애널라이저
Z1, Z2: 자계 공간

Claims (7)

  1. 전원에 접속된 급전 모듈에 수전 모듈을 근접시켜서, 상기 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 상기 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킴으로써, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하면서, 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치이며,
    상기 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 자계 공간이 형성되고 상기 수전 모듈에 전력이 공급되어 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는, 상기 전원의 전원 주파수에서 작동시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 적어도 소정의 공진 주파수에서 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
    상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의해 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일 방향이 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다 저주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 적어도 소정의 공진 주파수에서 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
    상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의해 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 역방향이 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다 고주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 급전 모듈은 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기를 구비하고,
    상기 수전 모듈은 수전 코일을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 급전 모듈은 급전 코일 및 급전 공진기를 구비하고,
    상기 수전 모듈은 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 급전 모듈은 급전 코일을 구비하고,
    상기 수전 모듈은 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 전원에 접속된 급전 모듈에 수전 모듈을 근접시켜서, 상기 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 상기 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킴으로써, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 사이 또는 주변의 소정 위치에, 당해 소정 위치 이외의 자계 강도보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하면서, 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법이며,
    상기 전원의 전원 주파수를, 상기 자계 공간이 형성되지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 자계 공간이 형성되고 상기 수전 모듈에 전력이 공급되어 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는 대역으로 조정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법.
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