KR20150087860A - 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

Abstract

급전 모듈(202)의 급전 공진기(22)의 코일면과 수전 모듈(203)의 수전 공진기(32)의 코일면끼리 대향하도록 배치하고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주면측에, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(23, 33)를 배치하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행함으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 주변에서 발생하는 자계를 자성 부재(23, 33)에 의해 차단하여, 전력이 급전 모듈(202)로부터 수전 모듈(203)로 전송될 때의 에너지 송전 효율을 자성 부재(23, 24)를 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킨다.

Description

무선 전력 전송 장치 {WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS}

본 발명은 비접촉으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

최근, 노트북형 PC, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화 등, 사람이 휴대하면서 사용할 수 있는 전자 기기가 급속하게 보급되고 있다. 그리고, 이들 전자 기기의 대부분에는 충전지가 탑재되어 있어, 정기적인 충전이 필요하게 된다. 이 전자 기기의 충전지에의 충전 작업을 간이하게 하기 위하여, 급전 장치와 전자 기기에 탑재된 수전 장치와의 사이에서 무선에 의한 전력 전송을 이용한 급전 기술(자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 기술)에 의해, 충전지를 충전하는 기기가 증가하고 있다.

예를 들어, 무선 전력 전송 기술로서는, 코일간의 전자 유도를 이용하여 전력 전송을 행하는 기술이나(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 급전 장치 및 수전 장치가 구비하는 공진기(코일)간의 공진 현상을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).

이러한 무선 전력 전송 기술에서는, 무선에 의한 전송을 행할 때, 유선에 의한 전력 전송에 비하여 큰 전송 손실이 발생해 버리기 때문에, 이 전송 손실을 저감시켜 송전 효율(급전 장치가 송전하는 전력에 대한 수전 장치가 수전하는 전력의 비율)을 향상시키는 것이 큰 과제로 되고 있다.

이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 예를 들어 특허문헌 2에는, 송전 공진 코일과 수전 공진 코일의 사이의 거리가 변동된 경우라도, 송전 공진 코일의 공진 주파수 및 수전 공진 코일의 공진 주파수를 변경함으로써, 송전 공진 코일과 수전 공진 코일의 사이의 결합 강도를 순차적으로 변경하여 공명 상태를 유지함으로써 송전 장치로부터 수전 장치로의 전력의 송전 효율을 높일 수 있는 무선 전력 전송 장치가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 송전 코일과 수전 코일의 결합 강도를 변화시킴으로써, 장치 전체의 송전 효율을 높일 수 있는 무선 전력 장치가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 급전 코일과 수전 코일의 사이에 급전 공진 코일과 수전 공진 코일을 설치하여 비접촉으로 전력을 공급할 때, 급전 공진 코일과 수전 공진 코일의 사이의 거리 c를 검출하고, 이 거리 c에 따라 급전 효율이 최대가 되도록 급전 코일과 급전 공진 코일의 거리 a, 및 수전 코일과 수전 공진 코일의 거리 b를 가변 조정하는 급전 시스템이 개시되어 있다.

일본 특허 제4624768호 공보

일본 특허 공개 제2010-239769호 공보

일본 특허 공개 제2010-239777호 공보

일본 특허 공개 제2010-124522호 공보

확실하게, 상기에 개시된 기술에 의해 송전 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 개시 기술에서는, 공진 주파수를 변경하는 제어 장치나, 두 공진기간의 결합 강도를 변화시키는 제어 장치나, 급전 코일과 급전 공진 코일의 거리 및 수전 코일과 수전 공진 코일의 거리를 조정하는 제어 장치가 필요하게 되어, 구성이 복잡해지는 데다가 비용이 증대되어 버린다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래와 같이 공진 주파수를 변경하는 제어 장치나, 두 공진기간의 결합 강도를 변화시키는 제어 장치나, 급전 코일과 급전 공진 코일의 거리 및 수전 코일과 수전 공진 코일의 거리를 조정하는 제어 장치를 사용하지 않고, 보다 간이한 구성에 의해 송전 효율을 향상시킬 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 장치이며, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 코일과, 상기 급전 모듈에서의 코일과 상기 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면을 제외한 적어도 일부를 덮는 자성 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 자성 부재가, 급전 모듈에서의 코일과 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면을 제외한 적어도 일부를 덮음으로써, 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행할 때, 전력이 급전 모듈로부터 수전 모듈로 전송될 때의 에너지 송전 효율을, 자성 부재를 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 자성 부재가, 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 내주면을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 자성 부재를, 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 내주면을 덮도록 배치함으로써, 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행할 때, 전력이 급전 모듈로부터 수전 모듈로 전송될 때의 에너지 송전 효율을, 자성 부재를 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 내주면측에 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 자성 부재가, 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 외주면을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 자성 부재를, 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 외주면을 덮도록 배치함으로써, 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행할 때, 전력이 급전 모듈로부터 수전 모듈로 전송될 때의 에너지 송전 효율을, 자성 부재를 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 외주면측에 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 자성 부재가, 상기 급전 모듈에서의 코일과 상기 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면과는 반대측의 면을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 자성 부재를, 급전 모듈에서의 코일과 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면과는 반대측의 면을 덮도록 배치함으로써, 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행할 때, 전력이 급전 모듈로부터 수전 모듈로 전송될 때의 에너지 송전 효율을, 자성 부재를 급전 모듈에서의 코일과 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면과는 반대측의 면에 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈에서의 코일로부터 상기 수전 모듈에서의 코일에 공진 현상에 의한 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 급전 모듈에서의 코일과 수전 모듈에서의 코일의 사이의 공진 현상을 이용한 전력 전송을 행하는 경우, 전력이 급전 모듈로부터 수전 모듈로 전송될 때의 에너지 송전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명 중 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈에서의 코일은 급전 코일 및 급전 공진기이고, 상기 수전 모듈에서의 코일은 수전 코일 및 수전 공진기이며, 상기 급전 코일에 급전된 전력을 상기 급전 공진기에 대하여 전자 유도에 의해 급전하고, 상기 급전 공진기에 급전된 전력을 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기로 전송하고, 상기 수전 공진기로 전송된 전력을 전자 유도에 의해 상기 수전 코일에 급전함으로써 상기 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 급전 코일 및 급전 공진기와, 수전 코일 및 수전 공진기를 사용한 자계 공명 방식에 의한 전력 전송을 행하는 경우, 전력이 급전 모듈로부터 수전 모듈로 전송될 때의 에너지 송전 효율을 향상시킬 수 있다.

종래와 같이 공진 주파수를 변경하는 제어 장치나, 두 공진기간의 결합 강도를 변화시키는 제어 장치나, 급전 코일과 급전 공진 코일의 거리 및 수전 코일과 수전 공진 코일의 거리를 조정하는 제어 장치를 사용하지 않고, 간이한 구성에 의해 송전 효율을 향상시킬 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 무선 전력 전송 장치의 개략 설명도이다.
도 2는 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 3은 비교예에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예에 관한 자계 강도 분포도이다.
도 5는 실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 6은 실시예 1에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 관한 자계 강도 분포도이다.
도 8은 실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 9는 실시예 2에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 2에 관한 자계 강도 분포도이다.
도 11은 실시예 3에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 12는 실시예 3에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 3에 관한 자계 강도 분포도이다.
도 14는 송전 효율의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 16은 제2 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 17은 제2 비교예 및 제2 실시예에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 제2 비교예 및 제2 실시예에 관한 송전 효율의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 20은 제3 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 21은 제3 비교예 및 제3 실시예에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 22는 제3 비교예 및 제3 실시예에 관한 송전 효율의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 23은 제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 24는 제4 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 25는 제4 비교예 및 제4 실시예에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 26은 제4 비교예 및 제4 실시예에 관한 송전 효율의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 27은 제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 28은 제5 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 29는 제5 비교예 및 제5 실시예에 관한 전송 특성 S21의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 30은 제5 비교예 및 제5 실시예에 관한 송전 효율의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에, 본 발명에 관한 무선 전력 전송 장치를 실시예 및 실시 형태에 기초하여 설명한다.

(개요)

본 발명에 관한 무선 전력 전송 장치(200)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)(코일)를 구비하는 급전 모듈(202)과, 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)(코일)를 구비하는 수전 모듈(203)을 갖고 있으며, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 이 급전 공진기(22)의 코일면과 수전 공진기(32)의 코일면끼리 대향하도록 배치되어 있다. 또한, 급전 모듈(202) 및 수전 모듈(203)은, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 대향하는 면을 제외한 적어도 일부를 덮는 자성 부재(23, 33)를 구비하고 있다. 구체적으로, 자성 부재(23)는 원통 형상을 하고 있으며, 급전 공진기(22)의 코일 내주면측에 코일 내주면 전체를 덮도록 배치되어 있다. 마찬가지로, 자성 부재(33)도 원통 형상을 하고 있으며, 수전 공진기(32)의 코일 내주면측에 코일 내주면 전체를 덮도록 배치되어 있다. 또한, 급전 모듈(202)의 급전 코일(21)과 후술하는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)는 배선에 의해 접속되어, 임의의 주파수로 교류 전력을 출력 단자(111)로부터 급전 코일(21)에 출력 가능하게 하고 있다. 또한, 수전 모듈(203)의 수전 코일(31)과 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)는 배선에 의해 접속되어, 수전 코일(31)로부터 입력 단자(112)에 입력된 전력을 측정 가능하게 하고 있다. 그리고, 급전 모듈(202)의 급전 공진기(22)로부터 수전 모듈(203)의 수전 공진기(32)에 공진 현상을 이용하여 자계를 변화시켜 전력 전송을 행함으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 주변에서 발생하는 자계를 자성 부재(23, 33)에 의해 차단하여, 전력이 급전 모듈(202)로부터 수전 모듈(203)로 전송될 때의 에너지 송전 효율을, 자성 부재(23, 33)를 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킨다.

여기서, 급전 모듈(202)이 구비하는 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(203)이 구비하는 수전 공진기(32)는, 도선을 권회하여 형성한 코일이며, 예를 들어 폴리이미드 기판 상에 구리막을 형성하고, 그 후에 에칭 등에 의해 작성한 나선 형상의 코일이나 도선을 솔레노이드 형상으로 권회하여 형성한 코일이나 루프 형상의 코일 등을 들 수 있다. 또한, 공진 현상이란, 2개 이상의 코일이 공진 주파수에 있어서 동조하는 것을 말한다. 또한, 코일과 코일을 대향하도록 배치한다는 것은, 코일의 직경 방향 단면을 코일면으로 하여 코일면끼리 직교하지 않도록 마주 향하게 배치하는 것을 말한다. 또한, 송전 효율이란, 급전 모듈(202)이 송전하는 전력에 대한 수전 모듈(203)이 수전하는 전력의 비율을 말한다.

(제1 실시예)

이어서, 급전 모듈에서의 급전 공진기(22)와 수전 모듈에서의 수전 공진기(32)를 대향 배치하고, 이들의 대향면을 제외한 적어도 일부를 덮도록 자성 부재를 배치한 무선 전력 전송 장치(200, 300, 400)(실시예 1 내지 3)와, 자성 부재를 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(100)(비교예)에 대하여 자계 강도, 전송 특성 『S21』 및 송전 효율을 측정함으로써 설명한다.

(비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(100)의 구성)

비교예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(100)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비하는 급전 모듈(102)과, 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 구비하는 수전 모듈(103)을 구비하고 있다. 그리고, 급전 코일(21)에는 네트워크 애널라이저(110)(아질렌트ㆍ테크놀로지 가부시끼가이샤제)의 출력 단자(111)를 접속하고 있다. 또한, 수전 코일(31)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)를 접속하고 있다. 이렇게 구성된 무선 전력 전송 장치(100)에 있어서, 급전 모듈(102)에 전력이 공급되면, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 공진 현상에 의해 전력이 자계 에너지로서 공급된다.

네트워크 애널라이저(110)는, 임의의 주파수로 교류 전력을 출력 단자(111)로부터 급전 코일(21)에 출력 가능하게 되어 있다. 또한, 네트워크 애널라이저(110)는, 수전 코일(31)로부터 입력 단자(112)에 입력된 전력을 측정 가능하게 되어 있다. 또한, 네트워크 애널라이저(110)는 상세한 것은 후술하겠지만, 도 3 등에 나타내는 전송 특성 『S21』 및 도 14에 나타내는 송전 효율을 측정 가능하게 되어 있다.

급전 코일(21)은, 네트워크 애널라이저(110)로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진기(22)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(21)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 코일 직경 100mmφ로 설정되어 있다.

수전 코일(31)은, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자 유도에 의해 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)에 출력하는 역할을 한다. 이 수전 코일(31)은, 급전 코일(21)과 마찬가지로, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 코일 직경 100mmφ로 설정하고 있다.

급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 또한, 본 실시예에서는 LC 공진 회로의 콘덴서 성분에 대해서는 소자에 의해 실현하고 있지만, 코일의 양단을 개방하여 부유 용량에 의해 실현하여도 된다. 이 LC 공진 회로에서는 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라고 하면, (식 1)에 의해 정해지는 f가 공진 주파수가 된다.

… (식 1)

또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 솔레노이드 형상으로 3회 감기로 한, 코일 직경 100mmφ의 솔레노이드형 코일이다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는 공진 주파수를 13.0MHz로 하고 있다. 또한, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)는, 급전 공진기(22)의 코일면과 수전 공진기(32)의 코일면끼리 평행하게 대향하도록 배치되어 있다.

상기와 같이, 급전 공진기(22)의 공진 주파수와 수전 공진기(32)를 공진시켜, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이에 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 전력을 자계 에너지로서 전송할 수 있다(코일간의 공진 현상을 이용한 전력 전송).

또한, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)의 사이의 거리 A를 15mm로 설정하고, 수전 코일(31)과 수전 공진기(32)의 사이의 거리 B를 15mm로 설정하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이의 거리 C를 30mm로 설정하고 있다(도 2 참조).

(비교예의 측정 결과)

비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(100)를 사용하여 측정한 자계 강도, 전송 특성 『S21』 및 송전 효율의 측정 결과에 대하여 설명한다. 또한, 자계 강도의 측정에 관해서는 전자계 해석을 이용하여 해석하고, 자계 강도를 색조로 표시시킴으로써 측정하였다.

우선, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(100)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(100)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다. 이때, 도 3의 그래프에 나타낸 바와 같이, 횡축을 출력 단자(111)로부터 출력되는 교류 전력의 주파수로 하고, 종축을 전송 특성 『S21』로 하여 측정한다.

여기서, 전송 특성 『S21』이란, 출력 단자(111)로부터 신호를 입력하였을 때의 입력 단자(112)를 통과하는 신호를 나타내며, 데시벨로 표시되고, 수치가 클수록 송전 효율이 높은 것을 의미한다. 또한, 송전 효율이란, 전술한 바와 같이, 급전 모듈(202)이 송전하는 전력에 대한 수전 모듈(203)이 수전하는 전력의 비율을 말하며, 여기에서는 네트워크 애널라이저(110)에 무선 전력 전송 장치(101)를 접속한 상태에서, 출력 단자(111)로부터 급전 모듈에 공급되는 전력에 대한 입력 단자(112)에 출력되는 전력의 비율을 말한다.

측정 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(141)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

그리고, 이 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL에, 급전 모듈(102)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동일 위상에서 공진 상태가 되고, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향이 된다. 이 동상 공진 모드에서의 자계 강도 분포를 도 4의 (A)에 도시한다. 이 도 4의 (A)의 자계 강도 분포로부터, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)를 중심으로 자계가 확장되어 있는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 급전 모듈에서의 코일(급전 공진기(22))에 흐르는 전류의 방향과 수전 모듈에서의 코일(수전 공진기(32))에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향이 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라고 칭하기로 한다.

한편, 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH에, 급전 모듈(102)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 반대 위상에서 공진 상태가 되고, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 반대 방향이 된다. 이 역상 공진 모드에서의 자계 강도 분포를 도 4의 (B)에 도시한다. 이 도 4의 (B)의 자계 강도 분포로부터도, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)를 중심으로 자계가 확장되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 사이에 자계의 강도가 낮은 공간이 있는 것도 확인할 수 있다. 여기서, 급전 모듈에서의 코일(급전 공진기(22))에 흐르는 전류의 방향과 수전 모듈에서의 코일(수전 공진기(32))에 흐르는 전류의 방향이 역방향이 되는 공진 상태를 역상 공진 모드라고 칭하기로 한다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(100)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 14에 나타낸다. 이때, 도 14의 그래프에, 비교예ㆍ실시예 1 내지 3을 횡축에 배치하고, 송전 효율[％]을 종축으로 하여 기재하였다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 비교예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 85％(도 14: ■ 151 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 69％(도 14: ● 152 참조)이었다.

(실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200)의 구성)

이어서, 실시예 1에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(200)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 급전 공진기(22)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(23)를 구비하는 급전 모듈(202)과, 수전 코일(31), 수전 공진기(32) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(33)를 구비하는 수전 모듈(203)을 구비하고 있다. 그리고, 비교예와 마찬가지로, 급전 코일(21)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(31)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

자성 부재(23, 33)는 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 이 자성 부재(23, 33)에서 사용하는 수지는 열경화성 수지이어도 되고 열가소성 수지이어도 되며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 열경화성 수지이면, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 비닐에스테르 수지, 시아노에스테르 수지, 말레이미드 수지, 실리콘 수지 등을 들 수 있다. 또한, 열가소성 수지이면, 아크릴계 수지, 아세트산 비닐계 수지, 폴리비닐알코올계 수지 등을 들 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 에폭시 수지를 주성분으로 한 수지를 사용하고 있다.

또한, 수지 중에 분산되는 자성 분말에는 연자성 분말을 사용하고 있다. 연자성 분말로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 순 Fe, Fe-Si, Fe-Al-Si(센더스트), Fe-Ni(퍼멀로이), 소프트 페라이트, Fe기 아몰퍼스, Co기 아몰퍼스, Fe-Co(퍼멘듀르) 등을 사용할 수 있다.

상기 자성 부재(23, 33)는 두께 1mm, 외경 80mmφ, 내경 78mm의 원통 형상을 하고 있으며, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 그 밖의 구성은 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(100)와 마찬가지이다.

(실시예 1의 측정 결과)

실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200)를 사용하여 측정한 자계 강도, 전송 특성 『S21』 및 송전 효율의 측정 결과에 대하여 설명한다.

우선, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(200)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다.

측정 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(241)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

그리고, 이 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL에, 급전 모듈(202)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우(동상 공진 모드), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동일 위상에서 공진 상태가 되고, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향이 된다. 이 동상 공진 모드에서의 자계 강도 분포를 도 7의 (A)에 도시한다. 이 도 7의 (A)의 자계 강도 분포로부터, 비교예에 비하여(도 4의 (A) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계가 약간 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH에, 급전 모듈(202)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우(역상 공진 모드), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 반대 위상에서 공진 상태가 되고, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 반대 방향이 된다. 이 역상 공진 모드에서의 자계 강도 분포를 도 7의 (B)에 도시한다. 이 도 7의 (B)의 자계 강도 분포로부터, 비교예에 비하여(도 4의 (B) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계가 대폭 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 14에 나타낸다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 88％(도 14: ■ 251 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 75％(도 14: ● 252 참조)이었다. 이와 같이, 실시예 1에서의 무선 전력 전송 장치(200)의 송전 효율은, 비교예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(100)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 자성 부재(23, 33)를 구비한 무선 전력 전송 장치(200)에 따르면, 자성 부재(23, 33)를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(100)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있다.

(실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치(300)의 구성)

이어서, 실시예 2에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(300)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 급전 공진기(22)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(23) 및 급전 공진기(22)의 코일 외주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(24)를 구비하는 급전 모듈(302)과, 수전 코일(31), 수전 공진기(32), 수전 공진기(32)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(33) 및 수전 공진기(32)의 코일 외주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(34)를 구비하는 수전 모듈(303)을 구비하고 있다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지로, 급전 코일(21)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(31)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

자성 부재(24, 34)는, 실시예 1의 자성 부재(23, 33)와 마찬가지로 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 이 자성 부재(24, 34)는 두께 1mm, 외경 120mmφ, 내경 118mmφ의 원통 형상을 하고 있으며, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 그 밖의 구성은 실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200)와 마찬가지이다.

(실시예 2의 측정 결과)

실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치(300)를 사용하여 측정한 자계 강도, 전송 특성 『S21』 및 송전 효율의 측정 결과에 대하여 설명한다.

우선, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치(300)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(300)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다.

측정 결과, 도 9에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(341)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

그리고, 이 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL에, 급전 모듈(302)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우(동상 공진 모드)에서의 자계 강도 분포를 도 10의 (A)에 도시한다. 이 도 10의 (A)의 자계 강도 분포로부터, 비교예에 비하여(도 4의 (A) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계가 약간 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1에 비하여(도 7의 (A) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에 누출되는 자계가 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH에, 급전 모듈(302)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우(역상 공진 모드)에서의 자계 강도 분포를 도 10의 (B)에 도시한다. 이 도 10의 (B)의 자계 강도 분포로부터, 비교예에 비하여(도 4의 (B) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계가 대폭 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1에 비하여(도 7의 (B) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에 누출되는 자계가 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치(300)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 14에 나타낸다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 90％(도 14: ■ 351 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 78％(도 14: ● 352 참조)이었다. 이와 같이 실시예 2에서의 무선 전력 전송 장치(300)의 송전 효율은, 비교예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(100) 및 실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 자성 부재(23, 33) 및 자성 부재(24, 34)를 구비한 무선 전력 전송 장치(300)에 따르면, 자성 부재(23, 33)를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주면측에만 배치한 무선 전력 전송 장치(200)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있다.

(실시예 3에 관한 무선 전력 전송 장치(400)의 구성)

이어서, 실시예 3에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(400)는, 도 11에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(23), 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)의 코일 외주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(24) 및 급전 공진기(22)의 코일 대향면과는 반대측의 측면을 덮는 링 형상의 자성 부재(25)를 구비하는 급전 모듈(402)과, 수전 코일(31), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)과 수전 공진기(32)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(33), 수전 코일(31)과 수전 공진기(32)의 코일 외주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(34) 및 수전 공진기(32)의 코일 대향면과는 반대측의 측면을 덮는 링 형상의 자성 부재(35)를 구비하는 수전 모듈(403)을 구비하고 있다. 그리고, 실시예 2와 마찬가지로, 급전 코일(21)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(31)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

자성 부재(25, 35)는, 실시예 1의 자성 부재(23, 33)와 마찬가지로 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 이 자성 부재(25, 35)는 두께 1mm, 외경 120mm, 내경 80mm의 O링 형상을 하고 있으며, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 그 밖의 구성은 실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치(300)와 마찬가지이다.

(실시예 3의 측정 결과)

실시예 3에 관한 무선 전력 전송 장치(400)를 사용하여 측정한 자계 강도, 전송 특성 『S21』 및 송전 효율의 측정 결과에 대하여 설명한다.

우선, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 실시예 3에 관한 무선 전력 전송 장치(400)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(400)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다.

측정 결과, 도 12에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(441)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

그리고, 이 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL에, 급전 모듈(402)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우(동상 공진 모드)에서의 자계 강도 분포를 도 13의 (A)에 도시한다. 이 도 13의 (A)의 자계 강도 분포로부터, 비교예에 비하여(도 4의 (A) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계가 약간 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1에 비하여(도 7의 (A) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에 누출되는 자계가 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 2에 비하여(도 10의 (A) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 측면에 누출되는 자계가 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH에, 급전 모듈(402)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 설정한 경우(역상 공진 모드)에서의 자계 강도 분포를 도 13의 (B)에 도시한다. 이 도 13의 (B)의 자계 강도 분포로부터, 비교예에 비하여(도 4의 (B) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계가 대폭 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1에 비하여(도 7의 (B) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에 누출되는 자계가 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 2에 비하여(도 10의 (B) 참조) 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 측면에 누출되는 자계가 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 실시예 3에 관한 무선 전력 전송 장치(400)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 14에 나타낸다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 실시예 3에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 97％(도 14: ■ 451 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 94％(도 14: ● 452 참조)이었다. 이와 같이, 실시예 3에서의 무선 전력 전송 장치(400)의 송전 효율은, 비교예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(100), 실시예 1에 관한 무선 전력 전송 장치(200), 및 실시예 2에 관한 무선 전력 전송 장치(300)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 자성 부재(23, 33), 자성 부재(24, 34) 및 자성 부재(25, 35)를 구비한 무선 전력 전송 장치(400)에 따르면, 자성 부재(23, 33) 및 자성 부재(24, 34)를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주면측ㆍ외주면측에만 배치한 무선 전력 전송 장치(300)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있다.

(제2 실시예)

상기 제1 실시예의 무선 전력 전송 장치(200, 300, 400)에서는, 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 원형 및 솔레노이드형의 원통 형상의 코일을 사용한 경우에 대하여 설명하였지만, 제2 실시예에서는 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 사각 형상 및 사각 기둥형의 통 형상의 코일을 사용한 경우의 무선 전력 전송 장치에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 급전 모듈에서의 급전 공진기와 수전 모듈에서의 수전 공진기를 대향 배치하고, 급전 공진기 및 수전 공진기의 코일 내주면측에 코일 내주면 전체를 덮는 사각 기둥형의 통 형상의 자성 부재를 배치한 무선 전력 전송 장치(1200)와, 자성 부재를 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1100)(이하, 제2 비교예라고 칭함)에 대하여 전송 특성 『S21』 및 송전 효율을 측정함으로써 설명한다.

(제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)의 구성)

제2 비교예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1100)는, 도 15에 도시한 바와 같이, 사각 형상을 한 급전 코일(1121)과, 사각 기둥형의 통 형상 코일 구조를 한 급전 공진기(1122)를 구비하는 급전 모듈(1102), 및 사각 형상을 한 수전 코일(1131)과, 사각 기둥형의 통 형상 코일 구조를 한 수전 공진기(1132)를 구비하는 수전 모듈(1103)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 실시예와 마찬가지로, 급전 코일(1121)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1131)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

급전 코일(1121)은, 네트워크 애널라이저(110)로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진기(1122)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(1121)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 1변이 100mm인 정사각 형상으로 되어 있다.

수전 코일(1131)은, 급전 공진기(1122)로부터 수전 공진기(1132)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자 유도에 의해 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)에 출력하는 역할을 한다. 이 수전 코일(1131)은, 급전 코일(1121)과 마찬가지로, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 1변이 100mm인 정사각 형상으로 되어 있다.

급전 공진기(1122) 및 수전 공진기(1132)는 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 급전 공진기(1122) 및 수전 공진기(1132)는, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 3회 감기로 한, 1변이 100mm인 사각 기둥형의 통 형상 코일 구조를 하고 있다.

또한, 급전 코일(1121)과 급전 공진기(1122)의 사이의 거리는 15mm로 설정하고, 급전 공진기(1122)와 수전 공진기(1132)의 사이의 거리는 30mm로 설정하고, 수전 공진기(1132)와 수전 코일(1131)의 사이의 거리는 15mm로 설정하고 있다. 또한, 급전 공진기(1122) 및 수전 공진기(1132)는 공진 주파수를 14.2MHz로 하고 있다. 또한, 급전 공진기(1122)와 수전 공진기(1132)는, 급전 공진기(1122)의 코일면과 수전 공진기(1132)의 코일면끼리 평행하게 대향하도록 배치되어 있다.

(제2 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1200)의 구성)

제2 실시예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1200)는, 도 16에 도시한 바와 같이, 사각 형상을 한 급전 코일(1221)과, 사각 기둥형의 통 형상 코일 구조를 한 급전 공진기(1222)와, 급전 공진기(1222)의 코일 내주면 전체를 덮는 사각 기둥형의 통 형상을 한 자성 부재(1223)를 구비하는 급전 모듈(1202), 및 사각 형상을 한 수전 코일(1231)과, 사각 기둥형의 통 형상 코일 구조를 한 수전 공진기(1232)와, 수전 공진기(1232)의 코일 내주면 전체를 덮는 사각 기둥형의 통 형상을 한 자성 부재(1233)를 구비하는 수전 모듈(1203)을 구비하고 있다. 그리고, 제2 비교예와 마찬가지로, 급전 코일(1221)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1231)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

자성 부재(1223, 1233)는, 제1 실시예와 마찬가지로 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 이 자성 부재(1223, 1233)는 두께 1mm, 1변의 외변이 82mm, 내변이 80mm, 높이가 30mm인 사각 기둥형의 통 형상을 하고 있으며, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 급전 코일(1221)이나 급전 공진기(1222)나 수전 코일(1231)이나 수전 공진기(1232) 등의 그 밖의 구성은, 제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)와 마찬가지이다.

(제2 비교예 및 제2 실시예의 측정 결과)

제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과, 및 제2 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1200)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과에 대하여 설명한다.

네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1100)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다. 마찬가지로, 제2 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1200)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1200)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다. 또한, 전술한 바와 같이 전송 특성 『S21』은, 출력 단자(111)로부터 신호를 입력하였을 때의 입력 단자(112)를 통과하는 신호를 나타내며, 데시벨로 표시되고, 수치가 클수록 송전 효율이 높은 것을 의미한다. 또한, 송전 효율이란, 전술한 바와 같이, 급전 모듈이 송전하는 전력에 대한 수전 모듈이 수전하는 전력의 비율을 말하며, 여기에서는 네트워크 애널라이저(110)에 무선 전력 전송 장치(101)를 접속한 상태에서, 출력 단자(111)로부터 급전 모듈에 공급되는 전력에 대한 입력 단자(112)에 출력되는 전력의 비율을 말한다.

제2 비교예의 측정 결과, 도 17의 (A)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1141)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

한편, 제2 실시예의 측정 결과, 도 17의 (B)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1241)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 그리고, 분리된 피크의 고주파측의 주파수 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값, 및 저주파측의 주파수 fL에서의 전송 특성 『S21』의 값은, 양쪽 모두 제2 비교예에서의 측정 파형(1141)(도 17의 (A) 참조)보다 높은 값을 나타내고 있다. 이에 의해, 제2 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1200)의 송전 효율은, 제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)의 송전 효율보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 급전 모듈(1202)에서의 급전 코일(1221) 및 급전 공진기(1222)나, 수전 모듈(1203)에서의 수전 코일(1231) 및 수전 공진기(1232)에서의 코일 형상을 사각 형상 및 사각 기둥형의 통 형상으로 하였다고 하여도, 상기와 같이 자성 부재(1223, 1233)를 구비한 구성으로 하면, 자성 부재(1223, 1233)를 급전 공진기(1122) 및 수전 공진기(1132)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1100)에 비하여, 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 전송 특성 『S21』의 측정 결과로부터 알 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율, 및 제2 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1200)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 18에 나타낸다. 이때, 도 18의 그래프에, 제2 비교예ㆍ제2 실시예를 횡축에 배치하고, 송전 효율[％]을 종축으로 하여 기재하였다.

측정 결과, 도 18에 나타낸 바와 같이, 제2 비교예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 74.3％(도 18: ■ 1151 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 51.8％(도 18: ● 1152 참조)이었다.

한편, 제2 실시예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 85.2％(도 18: ■ 1251 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 67.9％(도 18: ● 1252 참조)이었다. 이와 같이, 제2 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1200)의 송전 효율은, 제2 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1100)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 자성 부재(1223, 1233)를 구비한 무선 전력 전송 장치(1200)에 따르면, 자성 부재(1223, 1233)를 급전 공진기(1122) 및 수전 공진기(1132)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1100)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

(제3 실시예)

상기 제1 실시예의 무선 전력 전송 장치(200, 300, 400)에서는, 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 원형 및 솔레노이드형의 원통 형상의 코일을 사용한 경우, 또한 제2 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1200)에서는, 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 사각 형상 및 사각 기둥형의 통 형상의 코일을 사용한 경우에 대하여 설명하였지만, 제3 실시예에서는 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 도 19에 도시한 바와 같이 초승달 형상 및 초승달형의 통 형상의 코일을 사용한 경우의 무선 전력 전송 장치에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 급전 모듈에서의 급전 공진기와 수전 모듈에서의 수전 공진기를 대향 배치하고, 급전 공진기 및 수전 공진기의 코일 내주면측에 코일 내주면 전체를 덮는 초승달형의 통 형상의 자성 부재를 배치한 무선 전력 전송 장치(1400)와, 자성 부재를 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1300)(이하, 제3 비교예라고 칭함)에 대하여 전송 특성 『S21』 및 송전 효율을 측정함으로써 설명한다.

(제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)의 구성)

제3 비교예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1300)는, 도 19에 도시한 바와 같이, 초승달 형상을 한 급전 코일(1321)과, 초승달형의 통 형상 코일 구조를 한 급전 공진기(1322)를 구비하는 급전 모듈(1302), 및 초승달 형상을 한 수전 코일(1331)과, 초승달형의 통 형상 코일 구조를 한 수전 공진기(1332)를 구비하는 수전 모듈(1303)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 실시예와 마찬가지로, 급전 코일(1321)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1331)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

급전 코일(1321)은, 네트워크 애널라이저(110)로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진기(1322)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(1321)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여, 도 19에 도시한 바와 같이 급전 코일(1321)의 코일의 외측 원의 직경을 60mm로 하고, 내측 원의 직경이 30mm가 되는 초승달 형상으로 되어 있다.

수전 코일(1331)은, 급전 공진기(1322)로부터 수전 공진기(1332)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자 유도에 의해 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)에 출력하는 역할을 한다. 이 수전 코일(1331)은, 급전 코일(1321)과 마찬가지로, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여, 수전 코일(1331)의 코일의 외측 원의 직경을 60mm로 하고, 내측 원의 직경이 30mm가 되는 초승달 형상으로 되어 있다.

급전 공진기(1322) 및 수전 공진기(1332)는 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 급전 공진기(1322) 및 수전 공진기(1332)는, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 3회 감기로 하여(선간은 0.1mm로 되어 있음), 코일의 외측 원의 직경을 60mm로 하고, 내측 원의 직경이 30mm가 되는 초승달형의 통 형상 코일 구조를 하고 있다.

또한, 급전 코일(1321)과 급전 공진기(1322)의 사이의 거리는 10mm로 설정하고, 급전 공진기(1322)와 수전 공진기(1332)의 사이의 거리는 8mm로 설정하고, 수전 공진기(1332)와 수전 코일(1331)의 사이의 거리는 10mm로 설정하고 있다. 또한, 급전 공진기(1322) 및 수전 공진기(1332)는 공진 주파수를 15.5MHz로 하고 있다. 또한, 급전 공진기(1322)와 수전 공진기(1332)는, 급전 공진기(1322)의 코일면과 수전 공진기(1332)의 코일면끼리 평행하게 대향하도록 배치되어 있다.

(제3 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1400)의 구성)

제3 실시예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1400)는, 도 20에 도시한 바와 같이, 초승달 형상을 한 급전 코일(1421)과, 초승달형의 통 형상 코일 구조를 한 급전 공진기(1422)와, 급전 공진기(1422)의 코일 내주면 전체를 덮는 초승달형의 통 형상의 자성 부재(1423)를 구비하는 급전 모듈(1402), 및 초승달 형상을 한 수전 코일(1431)과, 초승달형의 통 형상 코일 구조를 한 수전 공진기(1432)와, 수전 공진기(1432)의 코일 내주면 전체를 덮는 초승달형의 통 형상의 자성 부재(1433)를 구비하는 수전 모듈(1403)을 구비하고 있다. 그리고, 제3 비교예와 마찬가지로, 급전 코일(1421)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1431)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

자성 부재(1423, 1433)는, 제1 실시예와 마찬가지로 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 이 자성 부재(1423, 1433)는, 급전 공진기(1422) 및 수전 공진기(1432)의 내주면을 따른 두께 1mm의 초승달형의 통 형상을 하고 있으며, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 급전 코일(1421)이나 급전 공진기(1422)나 수전 코일(1431)이나 수전 공진기(1432) 등의 그 밖의 구성은, 제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)와 마찬가지이다.

(제3 비교예 및 제3 실시예의 측정 결과)

제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과, 및 제3 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1400)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과에 대하여 설명한다.

네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1300)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다. 마찬가지로, 제3 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1400)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1400)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다.

제3 비교예의 측정 결과, 도 21의 (A)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1341)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

한편, 제3 실시예의 측정 결과, 도 21의 (B)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1441)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 그리고, 분리된 피크의 고주파측의 주파수 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값, 및 저주파측의 주파수 fL에서의 전송 특성 『S21』의 값은, 양쪽 모두 제3 비교예에서의 측정 파형(1341)(도 21의 (A) 참조)보다 높은 값을 나타내고 있다. 이에 의해, 제3 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1400)의 송전 효율은, 제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)의 송전 효율보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 급전 모듈(1402)에서의 급전 코일(1421) 및 급전 공진기(1422)나, 수전 모듈(1403)에서의 수전 코일(1431) 및 수전 공진기(1432)에서의 코일 형상을 초승달 형상 및 초승달형의 통 형상으로 하였다고 하여도, 상기와 같이 자성 부재(1423, 1433)를 구비한 구성으로 하면, 자성 부재(1423, 1433)를 급전 공진기(1322) 및 수전 공진기(1332)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1300)에 비하여, 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 전송 특성 『S21』의 측정 결과로부터 알 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율, 및 제3 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1400)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 22에 나타낸다. 이때, 도 22의 그래프에, 제3 비교예ㆍ제3 실시예를 횡축에 배치하고, 송전 효율[％]을 종축으로 하여 기재하였다.

측정 결과, 도 22에 나타낸 바와 같이, 제3 비교예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 38.7％(도 22: ■ 1351 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 9.1％(도 22: ● 1352 참조)이었다.

한편, 제3 실시예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 82.3％(도 22: ■ 1451 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 39.9％(도 22: ● 1452 참조)이었다. 이와 같이 제3 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1400)의 송전 효율은, 제3 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 자성 부재(1423, 1433)를 구비한 무선 전력 전송 장치(1400)에 따르면, 자성 부재(1423, 1433)를 급전 공진기(1322) 및 수전 공진기(1332)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1300)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

(제4 실시예)

제1 실시예의 무선 전력 전송 장치(200, 300, 400)에서는, 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 코일 직경을 100mmφ로 설정한 동일 직경의 것을 사용한 경우에 대하여 설명하였지만, 제4 실시예에서는 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기에, 도 23에 도시한 바와 같이, 코일 직경이 상이한 것을 사용한 경우의 무선 전력 전송 장치에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 수전 모듈에서의 수전 코일 및 수전 공진기의 코일 직경이, 급전 모듈에서의 급전 코일 및 급전 공진기의 코일 직경보다 작게 한 것을 사용한다. 그리고, 급전 모듈에서의 급전 공진기와 수전 모듈에서의 수전 공진기를 대향 배치하고, 급전 공진기 및 수전 공진기의 코일 내주면측에 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재를 배치한 무선 전력 전송 장치(1600)와, 자성 부재를 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1500)(이하, 제4 비교예라고 칭함)에 대하여 전송 특성 『S21』 및 송전 효율을 측정함으로써 설명한다.

(제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1500)의 구성)

제4 비교예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1500)는, 도 23에 도시한 바와 같이, 원 형상을 한 급전 코일(1521)과, 원통 형상을 한 급전 공진기(1522)를 구비하는 급전 모듈(1502), 및 원 형상을 한 수전 코일(1531)과, 원통 형상을 한 수전 공진기(1532)를 구비하는 수전 모듈(1503)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 실시예와 마찬가지로, 급전 코일(1521)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1531)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

급전 코일(1521)은, 네트워크 애널라이저(110)로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진기(1522)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(1521)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 내경이 54mmφ인 원 형상으로 되어 있다(도 23의 단면도 참조).

수전 코일(1531)은, 급전 공진기(1522)로부터 수전 공진기(1532)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자 유도에 의해 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)에 출력하는 역할을 한다. 이 수전 코일(1531)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 내경이 36mmφ인 원 형상으로 되어 있다(도 23의 단면도 참조).

급전 공진기(1522) 및 수전 공진기(1532)는 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 급전 공진기(1522)는, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 4회 감기로 한, 코일 내경 54mmφ의 솔레노이드형 코일이며, 공진 주파수를 17.2MHz로 하고 있다(도 23의 단면도 참조). 한편, 수전 공진기(1532)는, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 6회 감기로 한, 코일 내경 36mmφ의 솔레노이드형 코일이며, 공진 주파수를 17.2MHz로 하고 있다(도 23의 단면도 참조).

또한, 급전 코일(1521)과 급전 공진기(1522)의 사이의 거리는 5mm로 설정하고, 급전 공진기(1522)와 수전 공진기(1532)의 사이의 거리는 18mm로 설정하고, 수전 공진기(1532)와 수전 코일(1531)의 사이의 거리는 5mm로 설정하고 있다. 또한, 급전 공진기(1522)와 수전 공진기(1532)는, 급전 공진기(1522)의 코일면과 수전 공진기(1532)의 코일면끼리 평행하게 대향하도록 배치되어 있다.

(제4 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1600)의 구성)

제4 실시예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1600)는, 도 24의 단면도에 도시한 바와 같이, 원 형상을 한 급전 코일(1621)과, 원통 형상을 한 급전 공진기(1622)와, 급전 공진기(1622)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(1623)를 구비하는 급전 모듈(1602), 및 원 형상을 한 수전 코일(1631)과, 원통 형상을 한 수전 공진기(1632)와, 수전 공진기(1632)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(1633)를 구비하는 수전 모듈(1603)을 구비하고 있다. 그리고, 제4 비교예와 마찬가지로, 급전 코일(1621)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1631)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다. 또한, 제4 실시예에서는 급전 공진기(1622)의 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(1623)의 직경을 바꾼 3개의 모델(모델 A1, 모델 A2, 모델 A3: 상세한 것은 후술함)을 사용하여 측정한다.

자성 부재(1623, 1633)는, 제1 실시예와 마찬가지로 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 그리고, 모델 A1에서는, 도 24에 도시한 바와 같이, 자성 부재(1623)의 내경은 46mmφ이고, 두께는 1mm인 원통 형상을 하고 있고, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 모델 A2에서는, 도 24에 도시한 바와 같이, 자성 부재(1623)의 내경은 37mmφ이고, 두께는 1mm인 원통 형상을 하고 있고, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 모델 A3에서는, 도 24에 도시한 바와 같이, 자성 부재(1623)의 내경은 28mmφ이고, 두께는 1mm인 원통 형상을 하고 있고, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 모델 A1, 모델 A2, 모델 A3에서의 자성 부재(1633)의 내경은 공통인 28mmφ이고, 두께는 1mm인 원통 형상을 하고 있고, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 급전 코일(1621)이나 급전 공진기(1622)나 수전 코일(1631)이나 수전 공진기(1632) 등의 그 밖의 구성은, 제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1500)와 마찬가지이다.

(제4 비교예 및 제4 실시예의 측정 결과)

제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1500)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과, 및 제4 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1600)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과에 대하여 설명한다.

네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1300)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1500)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다. 마찬가지로, 제4 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1600)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1600)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다(모델 A1, 모델 A2, 모델 A3 각각에 대하여 측정).

제4 비교예의 측정 결과, 도 25의 (A)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1541)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

한편, 제4 실시예의 모델 A1의 측정 결과, 도 25의 (B)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1641A1)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 그리고, 분리된 피크의 고주파측의 주파수 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값, 및 저주파측의 주파수 fL에서의 전송 특성 『S21』의 값은, 양쪽 모두 제4 비교예에서의 측정 파형(1541)(도 25의 (A) 참조)보다 높은 값을 나타내고 있다.

또한, 제4 실시예의 모델 A2의 측정 결과, 도 25의 (C)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1641A2)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 그리고, 분리된 피크의 고주파측의 주파수 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값, 및 저주파측의 주파수 fL에서의 전송 특성 『S21』의 값은, 양쪽 모두 제4 비교예에서의 측정 파형(1541)(도 25의 (A) 참조)보다 높은 값을 나타내고 있다.

또한, 제4 실시예의 모델 A3의 측정 결과, 도 25의 (D)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1641A3)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 그리고, 분리된 피크의 고주파측의 주파수 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값, 및 저주파측의 주파수 fL에서의 전송 특성 『S21』의 값은, 양쪽 모두 제4 비교예에서의 측정 파형(1541)(도 25의 (A) 참조)보다 높은 값을 나타내고 있다.

이에 의해, 제4 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1600)의 송전 효율은, 제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1500)의 송전 효율보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 급전 모듈(1602)에서의 급전 코일(1621) 및 급전 공진기(1622), 수전 모듈(1603)에서의 수전 코일(1631) 및 수전 공진기(1632)에, 코일 직경이 상이한 것을 사용하였다고 하여도, 상기와 같이 자성 부재(1623, 1633)를 구비한 구성으로 하면, 자성 부재(1623, 1633)를 급전 공진기(1522) 및 수전 공진기(1532)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1500)에 비하여, 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 전송 특성 『S21』의 측정 결과로부터 알 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1500)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율, 및 제4 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1600)(모델 A1, 모델 A2, 모델 A3)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 26에 나타낸다. 이때, 도 26의 그래프에, 제4 비교예ㆍ제4 실시예(모델 A1)ㆍ제4 실시예(모델 A2)ㆍ제4 실시예(모델 A3)를 횡축에 배치하고, 송전 효율[％]을 종축으로 하여 기재하였다.

측정 결과, 도 26에 나타낸 바와 같이, 제4 비교예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 21.6％(도 26: ■ 1551 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 22.3％(도 26: ● 1552 참조)이었다.

한편, 제4 실시예(모델 A1)에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 88.5％(도 26: ■ 1651A1 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 87.6％(도 26: ● 1652A1 참조)이었다. 또한, 제4 실시예(모델 A2)에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 90.7％(도 26: ■ 1651A2 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 87.0％(도 26: ● 1652A2 참조)이었다. 또한, 제4 실시예(모델 A3)에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 92.9％(도 26: ■ 1651A3 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 87.0％(도 26: ● 1652A3 참조)이었다. 이와 같이, 제4 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1600)의 송전 효율은, 제4 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1500)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 급전 모듈(1602)에서의 급전 코일(1621) 및 급전 공진기(1622), 수전 모듈(1603)에서의 수전 코일(1631) 및 수전 공진기(1632)에, 코일 직경이 상이한 것을 사용하였다고 하여도, 상기와 같이 자성 부재(1623, 1633)를 구비한 무선 전력 전송 장치(1600)에 따르면, 자성 부재(1623, 1633)를 급전 공진기(1522) 및 수전 공진기(1532)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1500)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

(제5 실시예)

상기 무선 전력 전송 장치(200) 등에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)의 사이의 거리 A를 15mm로 설정하고, 수전 코일(31)과 수전 공진기(32)의 사이의 거리 B를 15mm로 설정하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이의 거리 C를 30mm로 설정한 경우에 대하여 설명하였지만(도 2 참조), 제5 실시예에서는 급전 코일과 급전 공진기의 사이의 거리 A, 및 수전 코일과 수전 공진기의 사이의 거리 B를 0mm로 설정한 경우, 즉 급전 공진기의 내주측에 급전 코일을 배치하고, 수전 공진기의 내주측에 수전 코일을 배치한 경우의 무선 전력 전송 장치에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 급전 공진기의 내주측에 급전 코일을 배치하고, 또한 급전 코일의 내주측에 원통 형상의 자성 부재를 배치한 급전 모듈, 및 수전 공진기의 내주측에 수전 코일을 배치하고, 또한 수전 코일의 내주측에 원통 형상의 자성 부재를 배치한 수전 모듈을 구비한 무선 전력 전송 장치(1800)와, 자성 부재를 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1700)(이하, 제5 비교예라고 칭함)에 대하여 전송 특성 『S21』 및 송전 효율을 측정함으로써 설명한다.

(제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)의 구성)

제5 비교예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1700)는, 도 27에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(1722)의 내주측에 급전 코일(1721)을 배치한 급전 모듈(1702), 및 수전 공진기(1732)의 내주측에 수전 코일(1731)을 배치한 수전 모듈(1703)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 실시예와 마찬가지로, 급전 코일(1721)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1731)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

급전 코일(1721)은, 네트워크 애널라이저(110)로부터 얻어진 전력을 전자 유도에 의해 급전 공진기(1722)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(1721)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 내경이 70mmφ인 원 형상으로 되어 있다.

수전 코일(1731)은, 급전 공진기(1722)로부터 수전 공진기(1732)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자 유도에 의해 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)에 출력하는 역할을 한다. 이 수전 코일(1731)은, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 1회 감기로 하여 내경이 70mmφ인 원 형상으로 되어 있다.

급전 공진기(1722) 및 수전 공진기(1732)는 각각 LC 공진 회로이며, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 급전 공진기(1722) 및 수전 공진기(1732)는, 선 직경 1mmφ의 동선재(절연 피막 부착)를 3회 감기로 한, 코일의 내경 100mmφ의 솔레노이드형 코일이며, 공진 주파수를 12.9MHz로 하고 있다.

또한, 급전 공진기(1722)와 수전 공진기(1732)의 사이의 거리는 30mm로 설정되어 있다.

(제5 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1800)의 구성)

제5 실시예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1800)는, 도 28에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(1822)의 내주측에 급전 코일(1821)을 배치하고, 또한 급전 코일(1821)의 내주측에 원통 형상의 자성 부재(1823)를 배치한 급전 모듈(1802), 및 수전 공진기(1832)의 내주측에 수전 코일(1831)을 배치하고, 또한 수전 코일(1831)의 내주측에 원통 형상의 자성 부재(1833)를 배치한 수전 모듈(1803)을 구비하고 있다. 그리고, 제5 비교예와 마찬가지로, 급전 코일(1821)에는 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111)가 접속되고, 수전 코일(1831)에는 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112)가 접속되어 있다.

자성 부재(1823, 1833)는, 제1 실시예와 마찬가지로 자성 분말이 분산된 수지에 의해 형성되어 있다. 이 자성 부재(1823, 1833)는 내경이 60mmφ이고, 높이가 30mm이고, 두께가 1mm인 원통 형상을 하고 있으며, 그 투자율을 100으로 하고 있다. 또한, 급전 코일(1821)이나 급전 공진기(1822)나 수전 코일(1831)이나 수전 공진기(1832) 등의 그 밖의 구성은, 제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)와 마찬가지이다.

(제5 비교예 및 제5 실시예의 측정 결과)

제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과, 및 제5 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1800)를 사용하여 측정한 전송 특성 『S21』의 측정 결과에 대하여 설명한다.

네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1700)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다. 마찬가지로, 제5 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1800)에서의 전송 특성 『S21』을, 무선 전력 전송 장치(1800)에 공급하는 교류 전력의 주파수를 바꾸면서 측정한다.

제5 비교예의 측정 결과, 도 29의 (A)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1741)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 분리된 피크 중 고주파측의 주파수를 fH, 저주파측의 주파수를 fL로서 나타낸다.

한편, 제5 실시예의 측정 결과, 도 29의 (B)에 나타낸 바와 같이, 측정된 전송 특성 『S21』의 측정 파형(1841)은, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되는 것을 알 수 있다. 그리고, 분리된 피크의 고주파측의 주파수 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값, 및 저주파측의 주파수 fL에서의 전송 특성 『S21』의 값은, 양쪽 모두 제5 비교예에서의 측정 파형(1741)(도 29의 (A) 참조)보다 높은 값을 나타내고 있다. 이에 의해, 제5 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1800)의 송전 효율은, 제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)의 송전 효율보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 급전 공진기(1822)의 내주측에 급전 코일(1821)을 배치하고, 수전 공진기(1832)의 내주측에 수전 코일(1831)을 배치하였다고 하여도, 상기와 같이 급전 코일(1821)의 내주측에 원통 형상의 자성 부재(1823)를 배치하고, 수전 코일(1831)의 내주측에 원통 형상의 자성 부재(1833)를 배치하는 구성으로 하면, 자성 부재(1823, 1833)를 급전 공진기(1722)ㆍ급전 코일(1721) 및 수전 공진기(1732)ㆍ수전 코일(1731)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1700)에 비하여, 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 전송 특성 『S21』의 측정 결과로부터 알 수 있다.

이어서, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율, 및 제5 실시예에 관한 무선 전력 전송 장치(1800)의 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서의 송전 효율을 측정한다. 그 측정 결과를 도 30에 나타낸다. 이때, 도 30의 그래프에, 제5 비교예ㆍ제5 실시예를 횡축에 배치하고, 송전 효율[％]을 종축으로 하여 기재하였다.

측정 결과, 도 30에 나타낸 바와 같이, 제5 비교예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 80.3％(도 30: ■ 1751 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 49.0％(도 30: ● 1752 참조)이었다.

한편, 제5 실시예에 관하여, 동상 공진 모드(fL)에서의 송전 효율은 92.1％(도 30: ■ 1851 참조)이었다. 또한, 역상 공진 모드(fH)에서의 송전 효율은 72.6％(도 30: ● 1852 참조)이었다. 이와 같이, 제5 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(1800)의 송전 효율은, 제5 비교예에 관한 무선 전력 전송 장치(1700)보다 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 자성 부재(1823, 1833)를 구비한 무선 전력 전송 장치(1800)에 따르면, 자성 부재(1823, 1833)를 급전 공진기(1722) 및 수전 공진기(1732)의 내주면측에 배치하지 않는 무선 전력 전송 장치(1700)에 비하여 송전 효율을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

(실시 형태)

이어서, 상기 실시예에서 설명한 무선 전력 전송 장치의 활용예를 실시 형태로서 간단하게 설명한다.

예를 들어, 상기 무선 전력 전송 장치(200)는, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비하는 급전 모듈(202)과, 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 구비하는 수전 모듈(203)을 갖고 있으며, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 이 급전 공진기(22)의 코일면과 수전 공진기(32)의 코일면끼리 대향하도록 배치되어 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주면측에, 코일 내주면 전체를 덮는 원통 형상의 자성 부재(23, 33)가 각각 배치되어 있다. 그리고, 이 실시 형태에서는, 급전 모듈(202)의 급전 코일(21)에, 네트워크 애널라이저(110)의 출력 단자(111) 대신에 급전 모듈(202)에 공급하는 전력의 주파수를 조정하는 발진 회로를 통한 교류 전원을 접속하고, 수전 모듈(203)의 수전 코일(31)에, 네트워크 애널라이저(110)의 입력 단자(112) 대신에 수전된 교류 전력을 정류화하는 정류/안정화 회로 및 과충전을 방지하는 충전 회로를 통한 충전지를 접속한 구성으로 되어 있다.

그리고, 본 실시 형태에 관한 무선 전력 전송 장치(200)에서는, 급전 모듈(202)측의 급전 공진기(22)의 내주측(자성 부재(23)의 내주측)에 발진 회로를 수납하고, 수전 모듈(203)측의 수전 공진기(32)의 내주측(자성 부재(33)의 내주측)에 정류/안정화 회로를 수납하고 있다. 또한, 충전 회로 및 충전지를 수전 모듈(203)의 수전 공진기(32)의 내주측에 수납하여도 된다.

상기와 같이 구성된 무선 전력 전송 장치(200)에서는, 교류 전원으로부터 발진 회로를 통하여 급전 코일(21)에 공급된 교류 전력이, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)의 사이의 전자 유도, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이의 공진(자계 공명 상태)을 이용한 무선 전송, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)의 사이의 전자 유도를 거쳐 정류/안정화 회로 및 충전 회로를 통하여 충전지에 공급되어 충전지에 축전된다. 그리고, 이렇게 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 공진을 이용한 전력 공급이 행해질 때, 전력이 급전 모듈(202)로부터 수전 모듈(203)로 전송될 때의 전력 에너지 송전 효율을, 자성 부재(23, 33)를 배치하지 않는 경우에 비하여 향상시킬 수 있다. 즉, 무선 전력 전송시의 전송 손실을 저감시켜 효율적으로 충전지를 충전하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 자성 부재(23, 33)를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주면측에 배치하고 있지만, 실시예 2의 무선 전력 전송 장치(300)와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주면측에도 자성 부재(24, 34)를 배치하는 구성으로 하여도 되고, 실시예 3의 무선 전력 전송 장치(400)와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 측면에도 자성 부재(25, 35)를 배치하는 구성으로 하여도 된다. 자성 부재의 배치 개소나 크기나 형태는, 제작되는 급전 모듈(202)이나 수전 모듈(203)의 크기나 비용에 맞추어 편의적으로 결정되는 것이다.

또한, 상기 실시예 및 실시 형태에서는, 자성 부재(23, 33), 자성 부재(24, 34), 자성 부재(25, 35)를 급전 모듈 및 수전 모듈의 양쪽에 설치한 구성으로 되어 있지만, 급전 모듈 또는 수전 모듈의 한쪽에만 배치한 구성으로 하여도 된다.

또한, 상기 실시예 및 실시 형태에서는, 급전 모듈 및 수전 모듈이 구비하는 급전 공진기 및 수전 공진기(32) 사이의 공진 현상을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 행하는 기술(자계 공명형 무선 전력 전송)을 예시하여 설명하였지만, 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 기술에는, 코일간의 전자 유도를 이용하여 전력 전송을 행하는 전자 유도형 무선 전력 전송 기술도 포함된다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이 전자 유도형 무선 전력 전송 기술을 채용하는 경우, 자성 부재가 전자 유도를 도출하는 코일의 내주면측이나 외주면측이나 측면에 배치된다.

또한, 상기 실시예 및 실시 형태에서는, 자성 부재는 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주면 전체나 외주면 전체를 덮도록 배치되어 있지만, 반드시 내주면 전체나 외주면 전체를 덮을 필요는 없으며, 자성 부재가 내주면이나 외주면의 일부를 덮는 구성이어도 된다.

이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 특징적 부분을 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태ㆍ실시예에 한정되지 않고, 그 밖의 실시 형태ㆍ실시예에도 적용할 수 있으며, 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 위하여, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작할 것이 요망된다.

21: 급전 코일
22: 급전 공진기
23: 자성 부재
31: 수전 코일
32: 수전 공진기
33: 자성 부재
110: 네트워크 애널라이저
111: 출력 단자
112: 입력 단자
200: 무선 전력 전송 장치
202: 급전 모듈
203: 수전 모듈

Claims (6)

1. 급전 모듈과 수전 모듈의 사이에서 자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 장치이며,
   상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은,
   코일과,
   상기 급전 모듈에서의 코일과 상기 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면을 제외한 적어도 일부를 덮는 자성 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자성 부재는, 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 내주면을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자성 부재는, 급전 모듈에서의 코일 및/또는 수전 모듈에서의 코일의 외주면을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성 부재는, 상기 급전 모듈에서의 코일과 상기 수전 모듈에서의 코일이 대향하는 면과는 반대측의 면을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급전 모듈에서의 코일로부터 상기 수전 모듈에서의 코일에 공진 현상에 의한 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 급전 모듈에서의 코일은 급전 코일 및 급전 공진기이고,
   상기 수전 모듈에서의 코일은 수전 코일 및 수전 공진기이며,
   상기 급전 코일에 급전된 전력을 상기 급전 공진기에 대하여 전자 유도에 의해 급전하고, 상기 급전 공진기에 급전된 전력을 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기를 공진시킴으로써 자계 에너지로서 상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기로 전송하고, 상기 수전 공진기로 전송된 전력을 전자 유도에 의해 상기 수전 코일에 급전함으로써 상기 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.

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