KR20160019070A - 무선 전력 전송에 사용하는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법 - Google Patents

무선 전력 전송에 사용하는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법 Download PDF

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히사시 츠다
다케조 하타나카
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

새로운 기기를 설치하지 않고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없는 경우(대기 상태)에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 저감할 수 있는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법을 제공한다. 교류 전원(6)에 접속된 급전 모듈(2)로부터, 수전 모듈(3)에 대하여 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈(2)에 대해서, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지는, 전원 주파수로 작동시킨다.

Description

무선 전력 전송에 사용하는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법{ELECTRICITY SUPPLY MODULE USING WIRELESS POWER TRANSMISSION AND POWER SUPPLY METHOD OF ELECTRICITY SUPPLY MODULE}
본 발명은 무선 전력 전송에 사용하는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 노트북형 PC, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 휴대 게임기, 이어폰형 음악 플레이어, 무선식 헤드셋, 보청기, 레코더 등 사람이 휴대하면서 사용할 수 있는 휴대형 전자 기기가 급속히 보급되고 있다. 그리고, 이들 휴대형 전자 기기의 대부분에는 충전지가 탑재되어 있어, 정기적인 충전이 필요하다. 이 전자 기기의 충전지에의 충전 작업을 간편하게 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 점차 늘어나고 있다.
무선 전력 전송 기술로서는, 코일간의 전자기 유도를 이용해서 전력 전송을 행하는 기술이나(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 급전 장치(급전 모듈) 및 수전 장치(수전 모듈)가 구비하는 공진기(코일)간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용해서 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
예를 들어, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈이 구비하는 공진기(코일)간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용해서 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈을 급전 모듈 가까이에 가져가, 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)가 되도록 배치해서 사용할 필요가 있다. 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 없는 경우, 급전 모듈에서는, 수전 모듈이 급전 가능 영역에 근접 배치될 것에 대비하여 항상 전력이 계속해서 공급되어, 불필요하게 전력이 소비되어 버리는 문제가 있다(대기 전력이 커진다).
이 문제에 대해서 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 해서 급전 모듈에 전력 공급을 개시하는 대처법이 제안되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 3의 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 임계값과 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 멈추어 불필요하게 전력이 소비되는 것을 방지할 수 있다.
일본 특허 제4624768호 공보 일본 특허 공개 제2010-239769호 공보 일본 특허 공개 제2013-62895호 공보
그러나, 상기와 같이 검출부를 새롭게 설치하는 것은, 비용이 드는 데다가, 급전 모듈의 소형화의 점에서도 좋지 않다.
또한, 검출부를 설치한 경우에도, 소정의 시간 간격을 두고(간헐적으로) 검출부를 동작시킬 필요가 있고, 이 검출부 동작에 전력이 필요해져서, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없는 경우에도 전력은 소비되게 된다(특허문헌 3의 단락 [0044] 참조).
따라서, 본 발명의 목적은, 새로운 기기를 설치하지 않고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없는 경우(대기 상태)에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 저감할 수 있는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈이며,
상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는, 상기 전원의 전원 주파수로 작동시키는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 급전 모듈은, 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고, 상기 수전 모듈은, 수전 코일을 갖고, 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기 사이에서 일어나는 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 상기에 기재된 급전 모듈이다.
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.
이에 의하면, 급전 모듈은, 적어도 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기의 세 요소에 의해 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 임피던스의 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 발명의 하나는, 상기 급전 모듈은, 급전 코일 및 급전 공진기를 갖고, 상기 수전 모듈은, 수전 공진기 및 수전 코일을 갖고, 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기 사이에서 일어나는 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 상기에 기재된 급전 모듈이다.
상기 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스를, 급전 코일 및 급전 공진기를 갖는 급전 모듈의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이에 의하면, 급전 모듈은, 적어도 급전 코일 및 급전 공진기의 두 요소에 의해 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 임피던스의 관계를 결정하기 위한 요소도 많아지기 때문에, 급전 모듈의 설계 자유도를 높일 수 있다.
또한, 수전 모듈을, 수전 공진기, 수전 코일을 갖는 구성으로 하고 있기 때문에, 수전 모듈의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 급전 모듈은, 급전 코일을 갖고, 상기 수전 모듈은, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 갖고, 상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기 사이에서 일어나는 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 상기에 기재된 급전 모듈이다.
상기 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스를, 급전 코일의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이에 의하면, 급전 모듈은, 주로 급전 코일 하나의 요소에 의해 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있다. 그리고, 급전 모듈의 입력 임피던스를 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있다는 것은, 전원의 전원 주파수에 대한 급전 모듈의 입력 임피던스의 관계를 결정하기 위한 요소도 단일화할 수 있기 때문에, 급전 모듈의 설계의 간소화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈의 전력 공급 방법이며,
상기 전원의 전원 주파수를, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는 대역으로 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 입력 임피던스가, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감시킬 수 있다.
새로운 기기를 설치하지 않고, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없는 경우(대기 상태)에 있어서의 급전 모듈의 소비 전력을 저감할 수 있는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 급전 모듈을 탑재한 충전기 및 수전 모듈을 탑재한 무선식 헤드셋의 설명도.
도 2는 대기 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈의 설명도.
도 3은 급전 상태에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 4는 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1-1에 따른 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 6은 실시예 1-1에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 7은 실시예 1-2에 따른 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 8은 실시예 1-2에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 실시예 1-3에 따른 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 10은 실시예 1-3에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 11은 실시예 2-1에 따른 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 12는 실시예 2-1에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 13은 실시예 2-2에 따른 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 14는 실시예 2-2에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 15는 실시예 2-3에 따른 급전 모듈을 등가 회로로 나타낸 설명도.
도 16은 실시예 2-3에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 17은 실시예 3-1에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 18은 실시예 3-2에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 19는 실시예 3-3에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 20은 실시예 4-1에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 21은 실시예 4-2에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 22는 실시예 4-3에 따른 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 23은 급전 모듈을 탑재한 충전기 및 수전 모듈을 탑재한 무선식 헤드셋의 설계 방법을 설명한 흐름도.
이하에 본 발명인 무선 전력 전송에 사용하는 급전 모듈 및 급전 모듈의 전력 공급 방법의 실시 형태에 대해서 설명한다.
(실시 형태)
우선, 본 실시 형태에서는, 무선 전력 전송을 실현하는, 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 갖는 급전 모듈(2)을 구비하고 있다. 또한, 무선식 헤드셋(102)은, 이어폰 스피커부(102a), 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 갖는 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 통해서 충전지(9)가 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는, 설명의 형편 상, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 충전지(9)를 수전 모듈(3) 밖에 기재하고 있지만, 실제는, 솔레노이드 형상의 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주측에 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 충전지(9)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 최종적인 전력의 급전처로 되는 피급전 기기(10)이며, 피급전 기기(10)는, 수전 모듈(3)에 접속된 전력의 급전처의 기기 전체의 총칭이다.
또한, 도시하지 않지만, 충전기(101)는 무선식 헤드셋(102)을 수납하기 위한, 무선식 헤드셋(102)의 형상에 입각한 수납 홈이 형성되어 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 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L1 부분은, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 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 C1을 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 통해서 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 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L4 부분은, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 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 C4를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 한다. 또한, 수전 코일(31)에 접속된 피급전 기기(10)의 합계의 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)이라 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 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 그리고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 각각 공진 회로로 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 C2를 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 C3를 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, 수학식 (1)에 의해 정해지는 f가 공진 주파수로 된다. 그리고, 본 실시 형태에 있어서의 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)의 공진 주파수는, 1.0㎒로 하고 있다.
Figure pct00001
또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 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 공진기이면, 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 L1과 급전 공진기(22)의 코일 L2 사이의 상호 인덕턴스를 M12, 급전 공진기(22)의 코일 L2과 수전 공진기(32)의 코일 L3 사이의 상호 인덕턴스를 M23, 수전 공진기(32)의 코일 L3과 수전 코일(31)의 코일 L4 사이의 상호 인덕턴스를 M34라 하고 있다. 또한, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수를 k12라 표기하고, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수를 k23이라 표기하고, 코일 L3과 코일 L4 사이의 결합 계수를 k34라 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 되어, 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.
여기서, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 전력이 공급되고 있는 상태를 급전 상태라 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 d23이 어느 정도 근접 배치된 경우(급전 가능 영역)에 성립하는 상태이기도 하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 무선식 헤드셋(102)에 있어서의 충전지(9)에 충전이 이루어지고 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 상태라 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 d23이, 상기 자계 공명 상태를 창출하지 않을 정도의 배치 관계에 있는 경우에 성립하는 상태이기도 하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 무선식 헤드셋(102)에 있어서의 충전지(9)에 충전이 이루어지고 있지 않은 상태가 대기 상태라고 할 수 있다.
(대기 상태의 입력 임피던스와 급전 상태의 입력 임피던스의 관계)
이어서, 상기 대기 상태 및 급전 상태의 개념을 근거로 해서, 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 임피던스의 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 이용해서 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈(3)을 급전 모듈(2) 가까이에 가져가, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)가 되도록 배치해서 사용할 필요가 있다. 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 없는 경우(대기 상태), 급전 모듈에서는, 수전 모듈이 급전 가능 영역에 근접 배치될(급전 상태) 것에 대비하여 항상 전력이 계속해서 공급되는 상태가 된다.
그렇게 하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력은 낭비되어 버린다.
한편, 대기 상태에서는, 수전 모듈이 급전 가능 영역에 근접 배치되었을 때, 바로 급전 상태로 이행할 수 있도록 급전 모듈(2)에 전력이 계속해서 공급될 필요가 있다.
그렇게 하면, 대기 상태에 있어서의 소비 전력은, 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 억제될 것이 요구된다.
따라서, 대기 상태에 있어서의 소비 전력을, 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 억제하기 위해서는, 소비 전력 P는 하기 수학식 (2)에 의해 산출되므로, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 값을, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 값보다 크게 하면 됨을 알 수 있다. 또한, 교류 전원(6)에 의해 급전 모듈(2)에 인가되는 전압 V(실효값)은 일정하게 유지되기 때문에, 전압 V는 가변 요소로는 하고 있지 않다.
Figure pct00002
따라서, 본 실시 형태에 따른 급전 모듈(2)은, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지도록 설정되고, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지는 전원 주파수로 작동시킴으로써 실현된다. 그리고, 이와 같이 구성함으로써, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감시킬 수 있다.
이하 실시예를 나타내서 설명한다. 이하의 실시예에서는, 다양한 구성을 한 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 사용하여, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin을 해석하였다. 또한, 실시예에서는, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 충전지(9) 대신에 가변 저항기(11)(Rl)를 접속해서 해석하고 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. 또한, 실시예 3-1 내지 실시예 4-3에서는, 급전 상태에 있어서의, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이, 단봉성의 성질을 갖는 것으로 해석하고 있다.
여기서, 전송 특성 『S21』이란, 네트워크 애널라이저를 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 접속해서 계측되는 신호를 나타내고 있고, 데시벨 표시되어, 수치가 클수록 전력 전송 효율이 높은 것을 의미한다. 그리고, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)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 나누어진다. 그리고, 단봉성이란, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 하나이고, 그 피크가 공진 주파수 대역(fo)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 4의 파선(51) 참조). 한편, 쌍봉성이란, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 두개이며, 그 두개의 피크가 공진 주파수보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 4의 실선(52) 참조). 더 상세하게 쌍봉성을 정의하면, 상기 네트워크 애널라이저에 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 접속해서 계측되는 반사 특성 『S11』이 두개의 피크를 갖는 상태를 말한다. 따라서, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 일견해서 하나로 보였다 하더라도, 계측되고 있는 반사 특성 『S11』이 2개의 피크를 갖는 경우에는, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 한다.
상기 단봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서는, 도 4의 파선(51)으로 나타낸 바와 같이, 전원 주파수가 공진 주파수 f0일 때 전송 특성 『S21』이 최대화된다(전력 전송 효율이 최대화됨).
한편, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수 f0보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 최대화된다.
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(도 4의 그래프 참조).
예를 들어, 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에, 공진 주파수 f0보다 낮은 주파수 대역에 나타나는 피크(fL) 부근의 주파수 대역으로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동일 위상으로 공진 상태로 되고, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향이 된다. 그 결과, 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 전력 전송 효율의 최대화를 목적으로 한 일반적인 무선 전력 전송 장치에 있어서의 전송 특성 『S21』(파선(51))에는 미치지 못하지만, 전원 주파수를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 갖는 공진 주파수와 일치시키지 않는 경우에도, 전송 특성 『S21』의 값을 비교적 높은 값으로 할 수 있다(실선(52)). 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라고 칭하기로 한다. 또한, 동상 공진 모드에 있어서, 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에, 공진 주파수 f0보다 낮은 주파수 대역으로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 광의의 동상 공진 모드라 정의하고, 또한 『S21』의 공진 주파수 f0보다 낮은 주파수 대역에 나타나는 피크(fL) 부근(『S21』의 값이 약 -10㏈ 이상으로 되는 범위)의 주파수 대역으로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 협의의 동상 공진 모드라 정의한다. 또한, 협의의 동상 공진 모드에 있어서, 『S21』의 공진 주파수 f0보다 낮은 주파수 대역에 나타나는 피크(fL)로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 최협의의 동상 공진 모드라 한다.
또한, 상기 동상 공진 모드에서는, 급전 공진기(22)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄함으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 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 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이 자계 공간에 자계의 영향을 저감시키고자 하는 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납한 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감·방지하여, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능하게 된다.
한편, 예를 들어 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에, 공진 주파수 f0보다 높은 주파수 대역에 나타나는 피크(fH) 부근의 주파수 대역으로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 역위상으로 공진 상태로 되어, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 반대 방향이 된다. 그 결과, 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 전력 전송 효율의 최대화를 목적으로 한 일반적인 무선 전력 전송 장치에 있어서의 전송 특성 『S21』(파선(51))에는 미치지 못하지만, 전원 주파수를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 갖는 공진 주파수와 일치시키지 않는 경우에도, 전송 특성 『S21』의 값을 비교적 높은 값으로 할 수 있다(실선(52)). 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되는 공진 상태를 역상 공진 모드라고 칭하기로 한다. 또한, 역상 공진 모드에 있어서, 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에, 공진 주파수 f0보다 높은 주파수 대역으로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 광의의 역상 공진 모드라고 정의하고, 또한, 『S21』의 공진 주파수 f0보다 높은 주파수 대역에 나타나는 피크(fH) 부근(『S21』의 값이 약 -10㏈ 이상으로 되는 범위)의 주파수 대역으로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 협의의 역상 공진 모드라고 정의한다. 또한, 협의의 역상 공진 모드에 있어서, 『S21』의 공진 주파수 f0보다 높은 주파수 대역에 나타나는 피크(fH)로 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하는 것을 최협의의 역상 공진 모드라 한다.
또한, 상기 역상 공진 모드에서는, 급전 공진기(22)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄함으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 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 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이 자계 공간에 자계의 영향을 저감시키고자 하는 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납한 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여, 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감·방지하여, 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.
(실시예 1-1)
실시예 1-1에 따른 급전 모듈(2)은, 도 5에 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 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고(공진있음), 코일 L1 부분은, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드 코일이다. 마찬가지로, 수전 코일(31)도, 저항기 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고, 코일 L4 부분은, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 급전 공진기(22)는, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고, 코일 L2 부분은, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드 코일이다. 또한, 수전 공진기(32)는, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3를 요소로 하는 RLC 직렬 회로를 구성하고 있고, 코일 L3 부분은, 선 직경 0.4㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 18회 감기한 코일 직경 15㎜φ의 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 1.0㎒이다. 또한, 각 결합 계수 k12, k23, k34는 0.3이다(또한, 급전 상태에서의 결합 계수의 값이다).
대기 상태에서는, 도 5에 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 6의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 6의 실선)의 해석 결과를 도 6에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 6의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 6의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.78 내지 0.84㎒의 대역 A1, 약 0.92 내지 1.09㎒의 대역 A2 및 약 1.28 내지 1.5(해석 상한)㎒의 대역 A3의 세 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 1-1에 있어서, 전원 주파수를 대역 A1 또는 대역 A3으로 설정했을 때보다, 대역 A2, 특히 1.0㎒로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 가장 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을, 전원 주파수를 대역 A1 또는 대역 A3으로 설정했을 때보다 저감시킬 수 있다. 물론, 전술한 바와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 대역에 있어서 낮은 값을 나타내므로 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율은 낮아지는 경향이 있다.
(실시예 1-2)
실시예 1-2에 따른 급전 모듈(2)은, 도 7에 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 7에 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 8의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 8의 실선)의 해석 결과를 도 8에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 8의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 8의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.87 내지 0.89㎒의 대역 B1 및 약 1.14 내지 1.22㎒의 대역 B2의 두 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 1-2에 있어서, 전원 주파수를 대역 B1로 설정했을 때 또는 대역 B2, 특히 1.19㎒ 부근으로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 전원 주파수 대역(fL:최협의의 동상 공진 모드)과 공진 주파수 f0보다 높은 전원 주파수 대역(fH:최협의의 역상 공진 모드)에 있어서 최대화된다. 그리고, 실시예 1-2에서는, 대역 B1과 협의의 동상 공진 모드에서의 전원 주파수 대역이 거의 일치하고, 또한 대역 B2와 협의의 역상 공진 모드에서의 전원 주파수 대역이 거의 일치하기 때문에, 전원 주파수를 대역 B1 또는 대역 B2로 설정한 경우에는, 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율을 비교적 높게 할 수 있다.
(실시예 1-3)
실시예 1-3에 따른 급전 모듈(2)은, 도 9에 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 9에 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 10의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 10의 실선)의 해석 결과를 도 10에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 10의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 10의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.60 내지 0.85㎒의 대역 C1 및 약 1.25 내지 1.5(해석 상한)㎒의 대역 C2의 두 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 1-3에 있어서, 전원 주파수를 대역 C1의 0.84㎒ 부근으로 설정했을 때 또는 대역 C2의 1.32㎒ 부근으로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 비교적 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수 f0보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 최대화된다. 그리고, 실시예 1-3에서는, 대역 C1(특히 0.84㎒ 부근)에 협의의 동상 공진 모드의 전원 주파수 대역이 포함되고, 또한 대역 C2(특히 1.32㎒ 부근)에 협의의 역상 공진 모드의 전원 주파수 대역이 포함되기 때문에, 전원 주파수를 협의의 동상 공진 모드 또는 협의의 역상 공진 모드로 설정한 경우, 대역 C1 또는 대역 C2를 포함하게 되어, 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율을 비교적 높게 할 수 있다.
(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 C1이, 도 11, 도 13, 도 15에 도시한 바와 같이, 병렬 접속되어 있다.
실시예 2-1에 따른 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, 전술한 바와 같이 급전 코일(21)은, 저항기 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 한 RLC 회로이며, 콘덴서 C1이 병렬 접속되어 있다. 또한, 다른 구성은 실시예 1-1과 마찬가지이다.
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, 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 12의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 12의 실선)의 해석 결과를 도 12에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 12의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 12의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.84 내지 0.93㎒의 대역 D1 및 약 1.12 내지 1.30㎒의 대역 D2의 두 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 2-1에 있어서, 전원 주파수를 대역 D1, 특히 0.88㎒ 부근으로 설정했을 때 또는 대역 D2로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 가장 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 전원 주파수 대역(fL:최협의의 동상 공진 모드)과 공진 주파수 f0보다 높은 전원 주파수 대역(fH:최협의의 역상 공진 모드)에 있어서 최대화된다. 그리고, 실시예 2-1에서는, 대역 D1과 협의의 동상 공진 모드에서의 전원 주파수 대역이 거의 일치하고, 또한 대역 D2와 협의의 역상 공진 모드에서의 전원 주파수 대역이 거의 일치하기 때문에, 전원 주파수를 대역 D1 또는 대역 D2로 설정한 경우에는, 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율을 비교적 높게 할 수 있다.
(실시예 2-2)
실시예 2-2에 따른 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 2-1과 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, 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 14의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 14의 실선)의 해석 결과를 도 14에 도시한다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 14의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 14의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.83 내지 0.84㎒의 대역 E1, 약 0.98 내지 1.02㎒의 대역 E2 및 약 1.30 내지 1.35㎒의 대역 E3의 세 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 2-2에 있어서, 전원 주파수를 대역 E2, 특히 1.0㎒ 부근으로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 가장 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 물론, 전술한 바와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 대역에 있어서 낮은 값을 나타내므로 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율은 낮아지는 경향이 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 쌍봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 실선(52)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 전원 주파수 대역(fL:최협의의 동상 공진 모드)과 공진 주파수 f0보다 높은 전원 주파수 대역(fH:최협의의 역상 공진 모드)에 있어서 최대화된다. 그리고, 대역 E1(특히 0.84㎒ 부근)이 협의의 동상 공진 모드의 전원 주파수 대역에 포함되고, 또한 대역 E3(특히 1.32㎒ 부근)이 협의의 역상 공진 모드의 전원 주파수 대역에 포함되기 때문에, 전원 주파수를 대역 E1 또는 대역 E3으로 설정한 경우에는, 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율을 비교적 높게 할 수 있다.
(실시예 2-3)
실시예 2-3에 따른 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 2-1과 마찬가지이다.
대기 상태에서는, 도 15에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 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 16의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 16의 실선)의 해석 결과를 도 16에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 16의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 16의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.86 내지 1.28㎒의 대역 F1이 있음을 알 수 있다.
실시예 2-3에 있어서, 전원 주파수를 대역 F1, 특히 1.0㎒로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 가장 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 가장 저감시킬 수 있다.
(실시예 3-1)
전술한 바와 같이 실시예 3-1 내지 실시예 4-3에서는, 급전 상태에 있어서의, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이, 단봉성의 성질을 갖는 것으로 해석하고 있다. 구체적으로는, 실시예 3-1 내지 실시예 4-3에서 사용하는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)은, 실시예 1-1 내지 실시예 2-3에서 사용한 것과 거의 동일하고, 상이한 것은, 급전 공진기(22)에 있어서의 코일 L2와 수전 공진기(32)에 있어서의 코일 L3 사이의 결합 계수 k23을 0.03으로 설정한 점이다(결합 계수 k23을 바꾸어, 전송 특성 『S21』이, 단봉성의 성질을 갖도록 설정).
실시예 3-1에 따른 급전 모듈(2)은, 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, 결합 계수 k23을 0.03으로 설정(단봉성으로 설정)한 것 이외의 구성은 실시예 1-1과 마찬가지이다.
실시예 3-1에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 17의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 17의 실선)의 해석 결과를 도 17에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 17의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 17의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.99 내지 1.01㎒의 대역 G1이 있음을 알 수 있다.
실시예 3-1에 있어서, 전원 주파수를 대역 G1, 특히 1.0㎒ 부근(공진 주파수 대역)으로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 가장 커지므로, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을, 가장 저감시킬 수 있다. 게다가, 전술한 바와 같이, 단봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서는, 도 4의 파선(51)으로 나타낸 바와 같이, 전원 주파수가 공진 주파수 f0일 때 전송 특성 『S21』이 최대화된다(전력 전송 효율이 최대화됨). 따라서, 실시예 3-1에서는, 전원 주파수를 대역 G1, 특히 1.0㎒ 부근(공진 주파수 대역)으로 설정했을 때, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 대역에 있어서 가장 높은 값을 나타내므로 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율이 높아진다.
(실시예 3-2)
실시예 3-2에 따른 급전 모듈(2)은, 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. 그리고, 전술한 바와 같이 결합 계수 k23을 0.03으로 설정(단봉성으로 설정)한 것 이외의 구성은 실시예 1-2와 마찬가지이다.
실시예 3-2에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 18의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 18의 실선)의 해석 결과를 도 18에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 18의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 18의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 0.96 내지 0.98㎒의 대역 H1 및 약 1.02 내지 1.04㎒의 대역 H2의 두 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 3-2에 있어서, 전원 주파수를 대역 H1 또는 대역 H2로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin 사이에 차가 발생하므로, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
(실시예 3-3)
실시예 3-3에 따른 급전 모듈(2)은, 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. 그리고, 전술한 바와 같이 결합 계수 k23을 0.03으로 설정(단봉성으로 설정)한 것 이외의 구성은 실시예 1-3과 마찬가지이다.
실시예 3-3에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 19의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 19의 실선)의 해석 결과를 도 19에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 19의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 19의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.60 내지 0.91㎒의 대역 I1 및 약 1.13 내지 1.5(해석 상한)㎒의 대역 I2의 두 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 3-3에 있어서, 전원 주파수를 대역 I1 또는 대역 I2로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin 사이에 차가 발생하기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 물론, 전술한 바와 같이, 단봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 파선(51)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 대역에 있어서 높은 값을 나타내고, 그 이외의 대역은 비교적 낮은 값이 되므로 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율은 낮아지는 경향이 있다.
(실시예 4-1)
실시예 4-1 내지 실시예 4-3은, 실시예 3-1 내지 실시예 3-3과는 달리, 급전 모듈(2)에 포함되는 급전 코일(21)을 구성하는 RLC 회로(저항기 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1)의 콘덴서 C1이, 실시예 2-1 내지 실시예 2-3과 마찬가지로, 병렬 접속되어 있다.
실시예 4-1에 따른 급전 모듈(2)은, 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 C1을 요소로 한 RLC 회로이며, 콘덴서 C1이 병렬 접속되어 있다. 또한, 실시예 3-1과 마찬가지로, 급전 공진기(22)에 있어서의 코일 L2와 수전 공진기(32)에 있어서의 코일 L3 사이의 결합 계수 k23을 0.03으로 설정하고 있다(단봉성으로 설정). 또한, 다른 구성은 실시예 3-1과 마찬가지이다.
실시예 4-1에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 20의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 20의 실선)의 해석 결과를 도 20에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 20의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 20의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 0.88 내지 0.99㎒의 대역 J1 및 약 1.06 내지 1.19㎒의 대역 J2의 두 대역이 있음을 알 수 있다. 또한, 도 20에는, 그래프만으로는 이해하기 어렵기 때문에, 대역 J1 및 대역 J2에 있어서의, 급전 상태의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin 및 대기 상태의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 수치 데이터를 기재하고 있다.
실시예 4-1에 있어서, 전원 주파수를 대역 J1 또는 대역 J2로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin 사이에 차가 발생하기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
(실시예 4-2)
실시예 4-2에 따른 급전 모듈(2)은, 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 4-1과 마찬가지이다.
실시예 4-2에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 21의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 21의 실선)의 해석 결과를 도 21에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 21의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 21의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.87 내지 0.88㎒의 대역 K1, 약 1.00 내지 1.03㎒의 대역 K2 및 약 1.19 내지 1.21㎒의 대역 K3의 세 대역이 있음을 알 수 있다.
실시예 4-2에 있어서, 전원 주파수를 대역 K1, 대역 K2 또는 대역 K3으로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin 사이에 차가 발생하기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
(실시예 4-3)
실시예 4-3에 따른 급전 모듈(2)은, 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 4-1과 마찬가지이다.
실시예 4-3에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관한, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 22의 파선)과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 22의 실선)의 해석 결과를 도 22에 나타낸다. 이것을 보면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin(도 22의 파선)이 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin(도 22의 실선)보다 커지는 전원 주파수 대역은, 약 0.92 내지 1.14㎒의 대역 L1이 있음을 알 수 있다.
실시예 4-3에 있어서, 전원 주파수를 대역 L1, 특히 1.0㎒(공진 주파수 대역)으로 설정했을 때, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin과, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 차가 가장 커지므로, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 가장 저감시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 단봉성의 성질을 갖는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에서는, 도 4의 파선(51)으로 나타낸 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 대역에 있어서 가장 높은 값을 나타내므로 급전 상태에 있어서의 전력 전송 효율은 높아진다.
상기 실시예 1-1 내지 실시예 4-3에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 급전 모듈(2)은, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지도록 설정되고, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지는 전원 주파수 대역에서 작동시킴으로써 실현된다. 그리고, 이와 같이 구성함으로써, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감하는 것이 가능하게 된다.
또한, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 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)로 된다. 또한, 급전 모듈(2)에, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 중 어느 것을 포함시킬지 여부도 상기 요소(파라미터)로 된다.
또한, 실시예 1-2, 실시예 2-2, 실시예 3-2, 실시예 4-2의 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을, 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)를 갖는 급전 모듈(2)의 입력 임피던스로서 구성할 수 있다.
이에 의하면, 급전 모듈(2)은, 적어도 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 세 요소에 의해 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을 결정하기 위한 요소가 많아진다. 그리고, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을 결정하기 위한 요소가 많아진다는 것은, 교류 전원(6)의 전원 주파수에 대한 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin의 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 2-1, 실시예 3-1, 실시예 4-1의 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 갖는 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin으로서 구성할 수 있다.
이에 의하면, 급전 모듈(2)은, 적어도 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)의 두 요소에 의해 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을 결정하기 위한 요소가 많아진다. 그리고, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을 결정하기 위한 요소가 많아진다는 것은, 교류 전원(6)의 전원 주파수에 대한 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin의 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 2-3, 실시예 3-3, 실시예 4-3의 구성에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을, 급전 코일(21)의 입력 임피던스 Zin으로서 구성할 수 있다.
이에 의하면, 급전 모듈(2)은, 주로 급전 코일(21)의 하나의 요소에 의해 구성되어 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있다. 그리고, 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin을 결정하기 위한 요소를 단일화할 수 있다는 것은, 교류 전원(6)의 전원 주파수에 대한 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin의 관계를 결정하기 위한 요소도 단일화 할 수 있기 때문에, 급전 모듈(2)의 설계의 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.
우선, 도 23에 도시한 바와 같이, 충전지(9)의 용량 및 충전지(9)의 충전에 필요한 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. 보다 상세하게는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23은, 무선식 헤드셋(102)과 충전기(101)의 형상·구조를 고려해서 결정된다.
또한, 무선식 헤드셋(102) 및 충전기(101)의 크기·형상·구조를 근거로 해서, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 직경이 결정된다(S3).
상기 S2 내지 S3의 수순을 거침으로써, 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 해서, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 설계값이 결정된다(S5).
그리고, S5에서 결정된 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin의 설계값에 기초하여, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지도록, 각 요소(파라미터)를 결정한다. 구체적으로, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 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)로 된다. 또한, 급전 모듈(2)에, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 중 어느 것을 포함시킬지 여부도 상기 요소(파라미터)로 된다.
상기 방법에 의하면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 입력 임피던스 Zin이, 급전 상태에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 입력 임피던스 Zin보다 커지기 때문에, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력을 급전 상태에 있어서의 소비 전력보다 저감시킬 수 있다.
(그 밖의 실시 형태)
상기 설명에서는, 무선식 헤드셋(102)을 예시해서 설명했지만, 충전지를 구비한 기기이면, 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 휴대형 전자 기기에 탑재한 경우를 상정해서 설명했지만, 용도는 이들 소형의 것으로 한정하지 않고, 필요 전력량에 맞추어서 사양을 변경함으로써, 예를 들어 비교적 대형의 전기 자동차(EV)에 있어서의 무선 충전 시스템이나, 보다 소형의 의료용 무선식 위카메라 등에도 탑재할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 특징적 부분을 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태·실시예에 한정되지 않고, 그 밖의 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 위해서 사용한 것이며, 본 발명의 해석을 제한하기 위해서 사용한 것은 아니다. 또한, 당업자이면 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 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

Claims (5)

  1. 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈이며,
    상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는, 상기 전원의 전원 주파수로 작동시키는 것을 특징으로 하는 급전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈은, 급전 코일, 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
    상기 수전 모듈은, 수전 코일을 갖고,
    상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기 사이에서 일어나는 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈은, 급전 코일 및 급전 공진기를 갖고,
    상기 수전 모듈은, 수전 공진기 및 수전 코일을 갖고,
    상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기 사이에서 일어나는 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈은, 급전 코일을 갖고,
    상기 수전 모듈은, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 갖고,
    상기 급전 공진기와 상기 수전 공진기 사이에서 일어나는 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈.
  5. 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용해서 전력을 공급하는 급전 모듈의 전력 공급 방법이며,
    상기 전원의 전원 주파수를, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있지 않은 대기 상태에 있어서의 상기 급전 모듈의 입력 임피던스가, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈의 입력 임피던스보다 커지는 대역으로 조정하는 것을 특징으로 하는 급전 모듈의 전력 공급 방법.
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