KR20160106002A - 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

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히사시 츠다
다케조 하타나카
남퉁 부
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하는 조건에서 수전 모듈과의 사이에 공진 현상을 일으킴으로써 전력을 상기 수전 모듈에 공급하는 급전 모듈과, 상기 자계 공간이 형성되는 위치에 배치되어 자계 강도를 검출하는 자계 검출기와, 상기 자계 검출기가 검출한 자계 강도의 값에 기초하여 상기 수전 모듈에 대한 전력 공급의 이상을 판단하는 판단 제어 기기를 구비한 무선 전력 전송 장치.

Description

무선 전력 전송 장치 {WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은, 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 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 필요해진다. 이 전자 기기의 충전지에의 충전 작업을 간이하게 하기 위하여, 급전 모듈과 전자 기기에 탑재된 수전 모듈 사이에 무선에 의한 전력 전송을 이용한 급전 기술(자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 기술)에 의하여 충전지를 충전하는 기기가 점점 증가하고 있다.
무선 전력 전송 기술로서는, 코일 간의 전자기 유도를 이용하여 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 이용하여 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 이용하여 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈을 급전 모듈에 근접시켜 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)로 되도록 배치하여 사용할 필요가 있다. 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈 부근에 금속 이물(異物)이 놓이거나 하면, 금속 이물이 자장의 영향을 받아 와전류(渦電流)가 야기되어 버린다. 이와 같이 와전류가 야기되면, 금속 이물이나 급전 모듈에 과잉된 열이 발생해 버리는 경우가 있다.
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 결과에 의하여 급전 모듈 부근에 금속 이물이 있는지 여부를 판별하는 대처법이 제안되어 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 구하여, 이 임피던스의 변화(임피던스의 증가량 등: 단락 [0048] 등 참조)를 미리 설정한 역치와 비교함으로써, 이물(이물 금속)의 유무에 대하여 판별하는 구성이 기재되어 있다.
일본 특허 제4624768호 공보 일본 특허 공개 제2013-239692호 공보 일본 특허 공개 제2013-62895호 공보
그러나 이물(이물 금속)의 종류나 크기에 따라서는 임피던스의 변화가 현저히 드러나지 않는 경우가 있다.
따라서 본 발명에서는, 급전 모듈과 수전 모듈 사이에 공진 현상을 일으킴으로써 전력을 공급할 때 형성되는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간에 주목하여, 이 자계 공간이 형성되는 공간에 있어서의 자계 강도를 검출함으로써, 전력을 공급할 때 이상이 있는지 여부를 판정 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하는 조건에서 수전 모듈과의 사이에 공진 현상을 일으킴으로써 전력을 상기 수전 모듈에 공급하는 급전 모듈과,
상기 자계 공간이 형성되는 위치에 배치되어 자계 강도를 검출하는 자계 검출기와,
상기 자계 검출기가 검출한 자계 강도의 값에 기초하여 상기 수전 모듈에 대한 전력 공급의 이상을 판단하는 판단 제어 기기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급할 때, 급전 모듈 주변에 발생하는 자계와 수전 모듈 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킴으로써, 급전 모듈 및 수전 모듈 부근에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고 자계 공간에 배치된 자계 검출기를 사용하여 자계 공간의 자계 강도를 검출하고, 이 자계 강도의 값에 기초하여 전력 공급의 이상을 검지할 수 있기 때문에, 무선 전력 전송 장치의 대형화를 방지하면서 안전한 전력 공급을 실현할 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 판단 제어 기기가, 상기 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때 상기 급전 모듈에 대한 전력 공급을 정지시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 전력 공급의 이상을 검지했을 때 급전 모듈에 대한 전력 공급이 정지됨으로써, 이상이 있는 전력 공급에 의한 문제의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 외부에 통지하는 통지 장치를 구비하고,
상기 제어 기기가, 상기 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때 상기 통지 장치에 의하여 상기 전력 공급의 이상을 통지하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 전력 공급의 이상을 검지했을 때 통지 장치에 의하여 이상을 외부에 알릴 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈이, 적어도 소정의 공진 주파수로 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의하여 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다도 고주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에서는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 때, 급전 공진기와 수전 공진기의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이와 같이 결합 계수가 높은 상태에서 전송 특성 『S21』(급전 모듈로부터 수전 모듈에 전력을 송전할 때의 송전 효율의 지표로 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 역방향으로 되어, 급전 모듈의 내주측에 발생하는 자계와 수전 모듈의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고 자계 공간이 형성되는 급전 공진기의 내주측에 자계 검출기를 배치함으로써, 급전 공진기의 내주측의 공간을 유효 활용할 수 있어, 무선 전력 전송 장치를 콤팩트하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈이, 적어도 소정의 공진 주파수로 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의하여 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다도 저주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에서는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 때, 급전 공진기와 수전 공진기의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이와 같이 결합 계수가 높은 상태에서 전송 특성 『S21』(급전 모듈로부터 수전 모듈에 전력을 송전할 때의 송전 효율의 지표로 되는 값)을 해석하면, 그 해석 파형은 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리된다. 그리고 이 저주파측의 주파수에 전원의 전력 주파수를 설정함으로써, 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되어, 급전 모듈의 외주측에 발생하는 자계와 수전 모듈의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고 자계 공간이 형성되는 급전 공진기의 외주측에 자계 검출기를 배치함으로써, 급전 공진기의 외주측의 공간을 유효 활용할 수 있어, 무선 전력 전송 장치를 콤팩트하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 자계 검출기가 자기 홀 센서인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에서는, 자계 검출기에 자기 홀 센서를 사용함으로써 고정밀도로 자계 강도를 검지할 수 있음과 함께, 자기 홀 센서가 소형이기 때문에 무선 전력 전송 장치를 콤팩트하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 자계 검출기가 코일인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에서는, 자계 검출기에 코일을 사용함으로써 무선 전력 전송 장치의 제조 비용을 저렴하게 할 수 있다. 또한 코일은 그 크기(직경, 두께, 감기 수, 코일의 선 직경 등)를 어느 정도 변경할 수 있으므로, 당해 무선 전력 전송 장치의 크기나 공간에 맞추어 코일의 크기를 조정하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 급전 공진기가 코일을 갖고,
상기 자계 검출기는 상기 코일의 중심축보다도 상기 코일의 내주면측에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 자계 검출기를, 급전 공진기가 갖는 코일의 중심축보다도 코일의 내주면측에 배치함으로써, 자계 검출기를, 급전 공진기가 갖는 코일의 중심축에 배치했을 경우보다도 자계 강도의 검출 감도를 높일 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 자계 검출기가 상기 코일의 내주면을 따른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 자계 검출기를, 급전 공진기가 갖는 코일의 내주면을 따른 위치에 배치함으로써, 자계 강도의 검출 감도를 보다 높일 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기는 각각 코일을 갖고,
상기 자계 검출기는, 상기 급전 공진기가 갖는 코일의 내주측에서, 상기 급전 공진기가 갖는 코일과 상기 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하지 않는 면보다도 대향하는 면측에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 자계 검출기를, 급전 공진기가 갖는 코일의 내주측에서, 급전 공진기가 갖는 코일과 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하지 않는 면보다도 대향하는 면측에 배치함으로써, 급전 공진기가 갖는 코일과 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하지 않는 면측에 배치했을 경우보다도 자계 강도의 검출 감도를 높일 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 자계 검출기는, 상기 급전 공진기가 갖는 코일과 상기 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하는 면을 따른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 자계 검출기를, 급전 공진기가 갖는 코일과 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하는 면을 따른 위치에 배치함으로써 자계 강도의 검출 감도를 보다 높일 수 있다.
또한 본 발명의 하나는, 상기 급전 공진기는 코일을 갖고,
상기 자계 검출기는 박판형 반도체에 대한 홀 효과를 이용하여 자계 강도를 검출하는 자기 홀 센서이며,
상기 자기 홀 센서는, 상기 박판형 반도체가, 상기 급전 공진기가 갖는 코일의 내주측에서, 상기 코일의 중심축 방향에 대하여 수직 방향으로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 자기 홀 센서의 박판형 반도체를, 급전 공진기가 갖는 코일의 내주측에서, 코일의 중심축 방향에 대하여 수직 방향으로 되도록 배치함으로써, 자계 강도의 검출 감도를 높일 수 있다.
급전 모듈과 수전 모듈 사이에 공진 현상을 일으킴으로써 전력을 공급할 때 형성되는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간에 주목하여, 이 자계 공간이 형성되는 공간에 있어서의 자계 강도를 검출함으로써, 전력을 공급할 때 이상이 있는지 여부를 판정 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 급전 모듈을 탑재한 충전기 및 수전 모듈을 탑재한 무선식 헤드셋의 설명도이다.
도 2는 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송 장치를 등가 회로로 도시한 설명도이다.
도 4는 공진기 간의 전송 특성 『S21』이 2개의 피크를 가질 때의 설명도이다.
도 5는 네트워크 애널라이저에 접속한 무선 전력 전송 장치의 설명도이다.
도 6은 역상 공진 모드에서의 자계 벡터도이다.
도 7은 동상 공진 모드에서의 자계 벡터도이다.
도 8은 급전 모듈과 수전 모듈 사이에 정상 충전이 행해지고 있는 상태(정상 충전 상태)를 도시하는 설명도이다.
도 9는 충전기가 대기 상태에 있을 때의 설명도이다.
도 10은 충전기 부근에 금속 이물이 놓인 상태(이상 상태)를 도시하는 설명도이다.
도 11은 측정 실험에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(정상 충전 상태)의 블록도이다.
도 12는 측정 실험에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(대기 상태)의 블록도이다.
도 13은 측정 실험에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(이상 상태)의 블록도이다.
도 14는 자기 홀 센서가 검출하는 검출 전압의 설명도이다.
도 15는 측정 실험 1에 따른 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 자기 검출 코일이 검출하는 검출 전압의 설명도이다.
도 17은 측정 실험 2에 따른 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 판단 제어 기기가 실행하는 급전 동작의 흐름을 설명한 흐름도이다.
도 19는 측정 실험 4, 5에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(대기 상태)의 설명도이다.
도 20은 측정 실험 4, 5에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(정상 충전 상태)의 설명도이다.
도 21은 측정 실험 4, 5에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(이상 상태)의 설명도이다.
도 22는 자기 홀 센서의 배치 위치를 설명하는 설명도이다.
도 23은 자기 홀 센서의 세로 방향·가로 방향을 설명하는 설명도이다.
도 24는 측정 실험 3에 따른 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 25는 측정 실험 3에 따른 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 26은 측정 실험 3에 따른 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 27은 측정 실험 4에 따른 측정 결과를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명인, 무선 전력 전송에 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에 대하여 설명한다.
(실시 형태)
본 실시 형태에서는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1(G2)을 형성하는, 급전 공진기(22)를 구비한 급전 모듈(2) 및 수전 공진기(32)를 구비한 수전 모듈(3)을 주된 구성 요소로 하는 무선 전력 전송 장치(1)에 대하여, 급전 모듈(2)을 탑재한 충전기(101) 및 수전 모듈(3)을 탑재한 무선식 헤드셋(102)을 예로 들어 설명한다. 또한 도 1은 충전 시에 있어서의 충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)의 상태를 도시하고 있다. 도 2는 무선 전력 전송 장치(1)의 구성을 설명하는 블록도이다. 도 3은 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 등가 회로로 도시한 설명도이다.
(충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)의 구성)
충전기(101)는 도 1 및 도 2에 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.
급전 모듈(2)의 급전 코일(21)에는, 외부의 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를 소정의 값으로 설정하는 발진 회로 등(인버터 회로 등)으로 구성된 전원 회로(5)가 접속되어 있다. 또한 급전 공진기(22)의 내주측에는 자계 강도를 검출하는 자계 검출기(11)가 배치되어 있으며, 이 자계 검출기(11)에는 판단 제어 기기(4)가 접속되어 있다. 판단 제어 기기(4)는 전원 회로(5)와 접속되어 있다. 또한 판단 제어 기기(4)는 통지 장치(12)와도 접속되어 있다.
수전 모듈(3)의 수전 코일(31)에는, 수전된 교류 전력을 정류화하는 안정 회로(7) 및 과충전을 방지하는 충전 회로(8)를 통하여 2차 전지(9)가 접속되어 있다. 또한 도 2에 도시한 바와 같이 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 2차 전지(9)는, 후술하는 자계 공간 G1이 형성되는 수전 공진기(32)의 내주측에 배치되어 있다. 또한 본 실시 형태에 있어서의 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 2차 전지(9)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 최종적인 전력의 급전처로 되는 피(被)급전 기기(10)이며, 피급전 기기(10)는 수전 모듈(3)에 접속된 전력의 급전처의 기기 전체의 총칭이다. 또한 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 무선 전력 전송 장치(1)라 하고 있다.
또한 도시하지는 않지만 충전기(101)는, 무선식 헤드셋(102)을 수납하기 위한, 무선식 헤드셋(102)의 형상에 꼭 맞는 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 있도록 되어 있다.
급전 코일(21)은, 전원(6)으로부터 전원 회로(5)를 경유하여 얻어진 전력을 전자기 유도에 의하여 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 부분에는 솔레노이드 코일을 사용하고 있다. 또한 급전 코일(21)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고 있으며, 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 의하여 수전하고, 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통하여 2차 전지(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 부분에는 솔레노이드 코일을 사용하고 있다. 또한 수전 코일(31)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고 있으며, 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)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 2차 전지(9))의 합계의 임피던스를 ZL이라 한다. 또한 수전 코일(31)에 흐르는 전류를 I4라 한다. 또한 도 3에 도시한 바와 같이, 수전 코일(31)에 접속된 피급전 기기(10)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 2차 전지(9))의 각 부하 임피던스를 합한 것을 편의적으로 저항기 RL(ZL에 상당)이라 하고 있다.
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 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 그리고 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는 각각 공진 회로로 되어 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 하며, 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 하며, 본 실시 형태에서는, 수전 공진기(32)를 구성하는, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 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 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 회로로서의 RLC 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, (식 1)에 의하여 정해지는 f0이 공진 주파수로 된다.
Figure pct00001
또한 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에는 솔레노이드 코일을 사용하고 있다. 또한 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 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 하며, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리를 d34라 하고 있다(도 5 참조).
또한 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)의 코일 L1과 급전 공진기(22)의 코일 L2 간의 상호 인덕턴스를 M12, 급전 공진기(22)의 코일 L2와 수전 공진기(32)의 코일 L3 간의 상호 인덕턴스를 M23, 수전 공진기(32)의 코일 L3과 수전 코일(31)의 코일 L4 간의 상호 인덕턴스를 M34라 하고 있다. 또한 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서, 코일 L1과 코일 L2 간의 결합 계수를 k12라 표기하고, 코일 L2와 코일 L3 간의 결합 계수를 k23이라 표기하며, 코일 L3과 코일 L4 간의 결합 계수를 k34라 표기한다.
본 실시 형태에서는, 급전 모듈(2)의 솔레노이드 코일을 사용한 급전 공진기(22)의 내주측에 자계 검출기(11)를 배치하였다. 이는, 후술하는 자계 공간 G1이 형성되는 장소이다. 자계 검출기(11)로서는 자기 홀 센서를 사용하고 있으며, 측정한 전압의 변화를 자계 강도의 변화로서 측정할 수 있다(측정된 전압은 자계 강도에 대하여 비례 관계에 있기 때문임). 또한 자계 검출기(11)로서는 코일(예를 들어 솔레노이드형 코일)을 사용해도 된다.
판단 제어 기기(4)는, 예를 들어 마이크로컴퓨터·기억 장치 등에 의하여 구성되어 있으며, 자계 검출기(11)가 검출한 전압의 값에 기초하여 수전 모듈에 대한 전력 공급의 이상을 판단하는 기능을 갖는다(상세는 후술함). 그리고 판단 제어 기기(4)는 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때, 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 정지시키도록 전원 회로(5)를 제어한다. 구체적으로는, 판단 제어 기기(4)가 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때 제어 신호를 송신하여 전원 회로(5)를 제어함으로써, 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 정지시킨다.
또한 판단 제어 기기(4)는 소정의 시간 간격을 두고(이 소정의 시간 간격은 임의로 설정 가능한 것임) 전원 회로(5)에 검출 신호를 송신한다. 이 검출 신호를 받아, 전원 회로(5)가 단기간 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 일시적으로 행한다. 이것에 의하여 일시적으로 급전 모듈(2)에 전력이 공급되어 급전 공진기(22) 부근에 자계가 발생하여, 자계 검출기(11)에 의한 자계 강도의 검출이 가능해진다.
통지 장치(12)는 외부에 무선 전력 전송 장치(1)의 상태를 통지하는 것이면 되며, 예를 들어 알람 장치, LED 램프, 디스플레이 등을 들 수 있다. 판단 제어 기기(4)가 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때 통지 장치(12)에 의하여 전력 공급의 이상을 외부에 통지한다. 예를 들어 알람 장치라면 경고음에 의하여 이상을 통지하고, LED 램프라면 경고색을 점등, 점멸시킴으로써 이상을 통지하며, 디스플레이라면 경고 메시지를 디스플레이에 표시함으로써 이상을 통지한다.
상기 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))에 의하면, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 간에 자계 공명 상태(공진 현상)를 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 가능해지고, 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 2차 전지(9)가 충전된다.
(자계 공간의 형성)
본 실시 형태에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 내부·주변에 발생하는 자계의 강도를 억제하기 위하여, 자계 강도를 약화시킨 자계 공간 G1을 형성한다. 구체적으로는 도 2에 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) 및 수전 공진기(32) 부근에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성한다. 이와 같이 자계 공간 G1을 형성하는 것은, 주변의 자계 강도보다도 자계 강도를 저감시킨 자계 공간 G1에, 자계의 영향을 저감시키고자 하는 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 2차 전지(9) 등을 수납함으로써, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 2차 전지(9) 등에 대하여 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감·방지하여, 발열에 의한 악영향을 억제시키기 위함이다.
자계 공간 G1·G2를 형성하기 위해서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』을 나타내는 그래프가 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하고, 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수로 설정함으로써 실현한다. 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이에 자계 공간 G1을 형성하기 위하여, 전원 주파수를, 2개의 피크 대역 중 고주파측에 형성되는 피크 대역(f(High P))에 대응하는 전원 주파수로 설정한다. 또한 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외측에 자계 공간 G2를 형성하고자 하는 경우에는(도 7 참조), 전원 주파수를, 2개의 피크 대역 중 저주파측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))에 대응하는 전원 주파수로 설정한다.
여기서 전송 특성 『S21』이란, 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))를 네트워크 애널라이저(110)(예를 들어 애질런트 테크놀로지 가부시키가이샤 제조의 E5061B 등, 도 5 참조)에 접속하여 계측되는 신호를 나타내고 있고, 데시벨 표시되며, 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.
구체적으로는 도 5에 도시한 바와 같이, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하여, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』을, 급전 공진기(22)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 바꾸면서 해석한다. 이때, 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 가로축을 출력 단자(111)로부터 출력되는 교류 전력의 전원 주파수로 하고, 세로축을 전송 특성 『S21』로서 해석한다. 여기서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』을 측정하는 데 있어서, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 간의 결합이 강하면, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 간의 결합 상태에 영향을 끼쳐 버려, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 정확한 측정이 불가능하기 때문에, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12는, 급전 공진기(22)가 충분히 여진할 수 있어 급전 공진기(22)에 의한 자계를 생성시키고, 또한 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)가 가급적 결합하지 않는 거리로 유지할 필요가 있다. 또한 마찬가지 이유로 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34도, 수전 공진기(32)가 충분히 여진할 수 있어 수전 공진기(32)에 의한 자계를 생성시키고, 또한 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)이 가급적 결합하지 않는 거리로 유지할 필요가 있다. 그리고 해석된 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 도 4에 나타낸 바와 같이, 저주파수측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))과 고주파수측에 형성되는 피크 대역(f(High P))의 2개의 피크 대역을 갖도록 설정된다.
또한 상기와 같이 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리되어 2개의 피크 대역을 갖기 위해서는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23을 조정하거나, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 결합 계수 k23 등의, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)를 구성하는 변경 가능한 파라미터를 조정하거나 함으로써 실현된다.
그리고 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 2개의 피크 대역을 갖는 경우에, 고주파수측에 형성되는 피크 대역(f(High P))에, 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정했을 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 역(逆)위상으로 공진 상태로 되어, 도 6에 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 6의 자계 벡터도에 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 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)보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성할 수 있다. 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되는 공진 상태를 역상 공진 모드라 칭하기로 한다.
한편, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 2개의 피크 대역을 갖는 경우에, 저주파수측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))에, 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정했을 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동위상으로 공진 상태로 되어, 도 7에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향(22A)과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향(32A)이 동일한 방향으로 된다. 그 결과, 도 7의 자계 벡터도에 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 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)보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G2를 형성할 수 있다. 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라 칭하기로 한다.
(자계 공간의 형성을 이용한 자계 강도의 검출)
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 구성의 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 자계 공명 상태를 창출하여 무선 전력 전송이 행해질 때 자계 공간 G1·G2를 형성할 수 있다. 이는, 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대하여 충전이 가능한 상태일 때 자계 공간 G1·G2가 형성된다고 할 수 있다.
따라서 본 출원에서는, 자계 공간 G1·G2가 형성되는 위치에 자계 검출기(11)를 배치하여, 자계 공간 G1·G2가 형성되는 위치의 자계 강도를 검출함으로써, 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대하여 정상 충전이 행해지고 있는지(정상 충전 상태), 충전기(101)가 대기 상태에 있는지(대기 상태), 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대한 충전에 대하여 이상 상태가 발생했는지를 판단하게 하고 있다(이상 상태).
구체적으로는 도 8에 도시한 바와 같이, 자계 공간 G1이 형성되는 위치에 있어서(자계 검출기(11)의 설치 부위), 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대하여 정상적으로 충전이 행해지고 있을 때의 자계 강도의 범위를 미리 측정해 두고, 이 범위의 자계 강도가 자계 검출기(11)에 의하여 검출되었을 경우에는 정상 충전이 행해지고 있다고 판단한다. 또한 도 9에 도시한 바와 같이, 자계 공간 G1이 형성되는 위치에 있어서(자계 검출기(11)의 설치 부위), 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대한 충전이 행해지지 않고 대기 상태에 있을 때의 자계 강도의 범위를 미리 측정해 두고, 이 범위의 자계 강도가 자계 검출기(11)에 의하여 검출되었을 경우에는 충전에 대하여 대기 상태라고 판단한다.
또한 자계 검출기(11)가 검출한 자계 강도가, 정상 충전을 나타내는 자계 강도도, 대기 상태를 나타내는 자계 강도도 아닌 값을 나타내는 경우에는, 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대한 충전에 대하여 이상 상태가 발생했다고 판단한다. 예를 들어 도 10에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2) 부근에 금속 이물(예를 들어 동전, 못, 클립, 열쇠 등)이 놓이거나 하면, 금속 이물이 자장의 영향을 받아 와전류가 야기되어 버린다. 이와 같이 와전류가 야기되면 금속 이물이나 급전 모듈(2)에 과잉된 열이 발생해 버리는 경우가 있으며, 충전기(101)로부터 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 2차 전지(9)에 대한 충전에 대하여 이상 상태가 발생했다고 판단해야 한다. 따라서 급전 모듈(2) 부근에 금속 이물이 놓이거나 하면, 금속 이물에 의하여 급전 모듈(2) 주변의 자장이 영향을 받아 자계 강도가 대기 상태에 비하여 약해지는 경향이 있는 것을 이용하여, 자계 검출기(11)가 검출한 자계 강도가, 정상 충전을 나타내는 자계 강도도, 대기 상태를 나타내는 자계 강도도 아닌 값을 나타내는 경우에는, 급전 모듈(2) 부근에 금속 이물이 놓여 있다고 판단하여 충전에 대하여 이상 상태가 발생했다고 판단시킨다.
(측정 실험)
상술한 정상 충전 상태, 대기 상태 및 이상 상태에 있어서, 자계 강도가 어떤 식으로 변화되는지를 측정 실험 1, 2에 의하여 설명한다.
측정 실험 1, 2에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 급전 코일(21)은 저항기 R1, 코일 L1, 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L1 부분은 선 직경 0.2㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경을 9㎜φ로 설정하였다. 또한 급전 공진기(22)는 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L2 부분은 선 직경 0.2㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경 9㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한 수전 공진기(32)는 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L3 부분은 선 직경 0.1㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경 8㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한 수전 코일(31)은 저항기 R4, 코일 L4, 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L4 부분은 선 직경 0.1㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경을 8㎜φ로 설정하였다. 또한 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)의 내주측에, 형성되는 자계 공간 G1의 자계 강도를 보다 작게 하기 위하여(측정되는 자계 강도의 변화가 보다 명확해지도록) 두께 450㎛의 원통형 자성재를 배치하였다. 마찬가지로 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)의 내주측에도 두께 450㎛의 원통형 자성재를 배치하였다. 그리고 측정 실험 1, 2에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 R1, R2, R3, R4의 값을 각각 2Ω, 2.3Ω, 1.8Ω, 1.2Ω으로 설정하였다. 또한 L1, L2, L3, L4의 값을 각각 11μH, 15μH, 7.7μH, 4.1μH로 설정하였다. 또한 C1, C2, C3, C4의 값을 각각, 2.3㎋, 1.68㎋, 3.3㎋, 6.2㎋로 설정하였다. 또한 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 1㎒이다.
(측정 실험 1)
측정 실험 1에서는, 도 11 내지 도 13에 도시한 바와 같이 급전 공진기(22)의 내주측에 자기 홀 센서(11A)(Allegro Micro Systems 제조의 A1324LUA 리니어형)를 배치하고, 자기 홀 센서(11A)에 접속한 오실로스코프(Agilent Technology사 MSO-X3054A)에 의하여 정상 충전 상태, 대기 상태 및 이상 상태에 있어서의 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 여기서, 자기 홀 센서(11A)에서 측정된 출력 전압은 자계 강도에 대하여 비례 관계에 있기 때문에, 측정한 출력 전압의 변화를 자계 강도의 변화로서 측정할 수 있다.
또한 측정 실험 1에서는, 도 14에 도시한 바와 같이 자기 홀 센서(11A)에 DC5V로 인가했을 경우의 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 이 경우, 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에 급전이 행해지지 않을 때는 자계는 발생하지 않기 때문에, 자계 검출기(11)에서 측정되는 출력 전압은 2.5V이다(도 14 참조). 또한 측정하는 출력 전압의 값은, 도 14에 나타낸 바와 같이 진폭 Vp-p를 검출 전압 p-p로 하여 측정한다. 또한 급전 모듈(2)에 급전하는 입력 전력은, 전원 주파수가 1080㎑이고 전압 5V, 전류 0.25A로 설정하였다. 또한 이상 상태로서는, 도 13에 도시한 바와 같이 금속 이물로 5㎜×5㎜×0.5㎜의 구리편, 5㎜×5㎜×0.5㎜의 알루미늄편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 구리편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 알루미늄편을 급전 공진기(22)로부터의 거리 3㎜(d23=3㎜)에 배치했을 경우, 및 급전 공진기(22)로부터의 거리 2㎜(d23=2㎜)에 배치했을 경우의 출력 전압을 측정한다. 또한 정상 충전 상태에서는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23을 3㎜ 및 2㎜로 했을 경우에 대하여 측정한다.
그 측정 결과를 도 15에 나타낸다. 이 측정 결과에 의하면, 대기 상태에서의 검출 전압 p-p는 94.6㎷로 가장 높게 되어 있고(자계 강도가 가장 큼), d23=3㎜로 했을 경우의 정상 충전 상태(자계 공간 G1 형성)에서의 검출 전압 p-p는 83.5㎷로 가장 낮게 되어 있다(자계 강도가 가장 작음). 그리고 이상 상태로서, 5㎜×5㎜×0.5㎜의 구리편, 5㎜×5㎜×0.5㎜의 알루미늄편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 구리편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 알루미늄편을 급전 공진기(22)로부터의 거리 3㎜(d23=3㎜)에 배치했을 경우의 검출 전압 p-p는, 대기 상태의 경우보다도 낮고 정상 충전 상태보다도 높은 값을 나타내고 있다. 또한 d23을 2㎜로 했을 경우에도 마찬가지의 결과이다. 이것에 의하여 정상 충전 상태에서는, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서 도 11에 도시한 바와 같이, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1이 형성되기 때문에, 이 자계 공간 G1에 있어서 자기 홀 센서(11A)에 의하여 측정되는 검출 전압 p-p는 가장 낮은 값으로 되는 것을 알 수 있다. 한편, 이상 상태로서 금속 이물을 급전 모듈(2) 근처에 배치했을 경우에는, 금속 이물에 의하여 급전 모듈(2) 주변의 자장이 영향을 받아 자계 강도가 대기 상태에 비하여 약해지는 것을 알 수 있다.
(측정 실험 2)
측정 실험 2에서는, 급전 공진기(22)의 내주측에 자기 검출 코일(11B)을 배치하고, 자기 검출 코일(11B)에 접속한 오실로스코프(Agilent Technology사 MSO-X3054A)에 의하여 정상 충전 상태, 대기 상태 및 이상 상태에 있어서의 자기 검출 코일(11B)의 출력 전압을 측정한다. 여기서, 자기 검출 코일(11B)에서 측정된 출력 전압은 자계 강도에 대하여 비례 관계에 있기 때문에, 측정한 출력 전압의 변화를 자계 강도의 변화로서 측정할 수 있다. 또한 자기 검출 코일(11B)은 RL회로이며(R=1.22Ω, L=5μH), 코일 부분은 선 직경 0.12㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경을 5㎜φ로 설정하였다.
또한 측정 실험 2에서는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 측정하는 출력 전압의 값은 진폭 Vp-p를 검출 전압 p-p로 하여 측정한다. 또한 급전 모듈(2)에 급전하는 입력 전력은, 전원 주파수가 1080㎑이고 전압 5V, 전류 0.25A로 설정하였다. 또한 이상 상태로서는, 측정 실험 1과 마찬가지로 금속 이물로 5㎜×5㎜×0.5㎜의 구리편, 5㎜×5㎜×0.5㎜의 알루미늄편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 구리편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 알루미늄편을 급전 공진기(22)로부터의 거리 3㎜(d23=3㎜)에 배치했을 경우, 및 급전 공진기(22)로부터의 거리(2㎜(d23=2㎜)에 배치했을 경우의 출력 전압을 측정한다. 또한 정상 충전 상태에서는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23을 3㎜ 및 2㎜로 했을 경우에 대하여 측정한다.
그 측정 결과를 도 17에 나타낸다. 이 측정 결과에 의하면, 대기 상태에서의 검출 전압 p-p는 2.74V로 가장 높게 되어 있고(자계 강도가 가장 큼), d23=3㎜로 했을 경우의 정상 충전 상태(자계 공간 G1 형성)에서의 검출 전압 p-p는 1.86V로 가장 낮게 되어 있다(자계 강도가 가장 작음). 그리고 이상 상태로서, 5㎜×5㎜×0.5㎜의 구리편, 5㎜×5㎜×0.5㎜의 알루미늄편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 구리편, 10㎜×10㎜×0.5㎜의 알루미늄편을 급전 공진기(22)로부터의 거리 3㎜(d23=3㎜)에 배치했을 경우의 검출 전압 p-p는, 대기 상태의 경우보다도 낮고 정상 충전 상태보다도 높은 값을 나타내고 있다. 또한 d23을 2㎜로 했을 경우에도 마찬가지의 결과이다. 이것에 의하여 정상 충전 상태에서는, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1이 형성되기 때문에, 이 자계 공간 G1에 있어서 자기 검출 코일(11B)에 의하여 측정되는 검출 전압 p-p는 가장 낮은 값으로 되는 것을 알 수 있다. 한편, 이상 상태로서 금속 이물을 급전 모듈(2) 근처에 배치했을 경우에는, 금속 이물에 의하여 급전 모듈(2) 주변의 자장이 영향을 받아 자계 강도가 대기 상태에 비하여 약해지는 것을 알 수 있다.
(무선 전력 전송 장치(1)의 급전 동작의 흐름)
상기 무선 전력 전송 장치(1)의 구성 등에 근거하여, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 급전 동작에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 주로 판단 제어 기기(4)가 실행하는 급전 동작의 흐름(처리)을 도 18을 참조하여 설명한다.
먼저, 판단 제어 기기(4)는 초기화 등의 소정의 기동 처리를 행한다(S1).
다음으로, 판단 제어 기기(4)는 소정 시간 경과되었는지 여부를 판단한다(S2). 소정 시간 경과되지 않았으면(S2: "아니오"), 소정 시간 경과되기까지 대기한다.
한편, 소정 시간 경과되었으면(S2: "예"), 전원 회로(5)에 검출 신호를 송신한다(S3).
여기서, S2, S3의 처리에서는, 소정의 시간 간격을 두고(이 소정의 시간 간격은 임의로 설정 가능한 것임) 전원 회로(5)에 검출 신호를 송신하고, 이 검출 신호를 받아, 전원 회로(5)가 단기간 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 일시적으로 행한다. 이것에 의하여, 일시적으로 급전 모듈(2)에 전력이 공급되어 급전 공진기(22) 부근에 자계가 발생하여, 자기 홀 센서(11A)에 의한 출력 전압(검출 전압)의 검출이 가능해진다(자계 강도의 검출이 가능해짐). 또한 S2에서 설정하는 소정 시간은, 너무 짧으면 검출 동작에 필요한 소비 전력이 증대되어 버리고, 반대로 길게 하면 검출에 대한 시간적 정밀도가 저하되어 버리므로, 이 점을 고려하여 결정할 필요가 있다.
다음으로, 일시적으로 급전 모듈(2)에 전력이 공급되어 급전 공진기(22) 부근에 자계가 발생하므로, 이때의 자기 홀 센서(11A)에 있어서의 검출 전압을 측정한다(S4).
다음으로, 판단 제어 기기(4)는, S4에서 측정된 검출 전압이, 대기 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위 내의 값인지 여부를 판단한다(S5). 예를 들어 측정 실험 1의 측정 결과를 참조했을 경우(도 15 참조), 대기 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 검출 전압은 94.6㎷이기 때문에, 대기 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위를 94.6㎷ 이상으로 미리 기억 장치 등에 기억시켜 두고, S5의 처리가 실행되었을 때, 「대기 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위가 94.6㎷ 이상인」 것을 참조한다.
그리고 S4에서 측정된 검출 전압이, 대기 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위 내의 값(측정 실험 1의 예에서는 94.6㎷ 이상)인 경우(S5: "예"), 무선 전력 전송 장치(1)의 상태를 대기 상태라고 판단한다(S6). 이는, 도 12에 도시한 바와 같이, 무선식 헤드셋(102)이 충전기(101) 근처(충전 가능 범위)에 존재하지 않는 상태이다.
그리고 대기 상태라고 판단했을 경우(S6), 판단 제어 기기(4)는 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 OFF로 한다(S7). 구체적으로는, 판단 제어 기기(4)가 전원 회로(5)에 제어 신호를 송신하여 전원 회로(5)를 제어함으로써, 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 정지시킨다. 이것에 의하여 대기 상태에 있어서의 소비 전력을 억제할 수 있다.
한편, S4에서 측정된 검출 전압이, 대기 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위 내의 값(측정 실험 1의 예에서는 94.6㎷ 이상)이 아닌 경우(S5: "아니오"), 판단 제어 기기(4)는, S4에서 측정된 검출 전압이, 정상 충전 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위 내의 값인지 여부를 판단한다(S8). 예를 들어 측정 실험 1의 측정 결과를 참조했을 경우(도 15 참조), 정상 충전 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 검출 전압은 83.5㎷이기 때문에, 정상 충전 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위를 83.5㎷ 이하로 미리 기억 장치 등에 기억시켜 두고, S8의 처리가 실행되었을 때, 「정상 충전 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위가 83.5㎷ 이하인」 것을 참조한다.
그리고 S4에서 측정된 검출 전압이, 정상 충전 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위 내의 값(측정 실험 1의 예에서는 83.5㎷ 이하)인 경우(S8: "예"), 무선 전력 전송 장치(1)의 상태를 정상 충전 상태라고 판단한다(S9). 이는, 도 11에 도시한 바와 같이, 무선식 헤드셋(102)이 충전기(101) 근처(충전 가능 범위)에 존재하는 상태이다.
그리고 정상 충전 상태라고 판단했을 경우(S9), 판단 제어 기기(4)는 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 ON으로 한다(S10). 구체적으로는, 판단 제어 기기(4)가 전원 회로(5)에 제어 신호를 송신하여 전원 회로(5)를 제어함으로써, 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 개시한다.
한편, S4에서 측정된 검출 전압이, 정상 충전 상태에 있어서의 자계 강도를 나타내는 범위 내의 값(측정 실험 1의 예에서는 83.5㎷ 이하)이 아닌 경우(S8: "아니오"), 판단 제어 기기(4)는 무선 전력 전송 장치(1)의 상태를 이상 상태라고 판단한다(S11). 이는, 도 13에 도시한 바와 같이 충전기(101) 부근에 금속 이물이 배치되어 있다고 추정하는 것이다.
그리고 이상 상태라고 판단했을 경우(S11), 판단 제어 기기(4)는 통지 장치(12)에 의하여, 전력 공급의 이상을 외부에 통지하는 통지 처리를 실행한다(S12). 예를 들어 통지 장치(12)가 알람 장치라면 경고음에 의하여 이상을 통지하고, LED 램프라면 경고색을 점등, 점멸시킴으로써 이상을 통지하며, 디스플레이라면 경고 메시지를 디스플레이에 표시함으로써 이상을 통지한다.
그리고 S12의 통지 처리 후, 판단 제어 기기(4)는 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급을 OFF로 한다(S7).
S7의 처리 또는 S10의 처리가 종료되면, S2의 처리로 되돌아간다. 이것에 의하여 소정 시간 간격으로 무선 전력 전송 장치(1)의 상태가 대기 상태인지, 정상 충전 상태인지, 이상 상태인지를 감시할 수 있다.
(효과)
상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급할 때, 급전 모듈(2) 주변에 발생하는 자계와 수전 모듈(3) 주변에 발생하는 자계를 서로 상쇄시킴으로써, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 부근에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1·G2를 형성할 수 있다. 그리고 자계 공간 G1·G2에 배치된 자계 검출기(11)를 사용하여 자계 강도를 검출하고, 이 자계 강도의 값에 기초하여 전력 공급의 이상(이상 상태)을 검지할 수 있기 때문에, 무선 전력 전송 장치(1)의 대형화를 방지하면서 안전한 전력 공급을 실현할 수 있다.
또한 전력 공급의 이상(이상 상태)을 검지했을 때 급전 모듈(2)에 대한 전력 공급이 정지됨으로써, 이상이 있는 전력 공급에 의한 문제의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
또한 전력 공급의 이상(이상 상태)을 검지했을 때 통지 장치(12)에 의하여 이상 상태인 것을 외부에 알릴 수 있다.
또한 상기 구성에서는, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성할 때, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 결합의 강도를 나타내는 결합 계수가 높아진다. 이와 같이 결합 계수가 높은 상태에서 전송 특성 『S21』(급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 전력을 송전할 때의 송전 효율의 지표로 되는 값)을 해석하면, 그 해석 파형은 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리된다. 그리고 이 고주파측의 주파수에 전력 주파수를 설정함으로써, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되어, 급전 모듈(2)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 모듈(3)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성할 수 있다. 그리고 자계 공간 G1이 형성되는 급전 공진기(22)의 내주측에 자계 검출기(11)를 배치함으로써, 급전 공진기(22)의 내주측의 공간을 유효 활용할 수 있어, 무선 전력 전송 장치(1)를 콤팩트하게 할 수 있다.
또한 상기 구성에서는, 자계 검출기(11)에 자기 홀 센서(11A)를 사용함으로써 고정밀도로 자계 강도를 검지할 수 있음과 함께, 자기 홀 센서(11A)가 소형이기 때문에 무선 전력 전송 장치(1)를 콤팩트하게 할 수 있다.
또한 자계 검출기(11)에 자기 검출 코일(11B)을 사용했을 경우에는 무선 전력 전송 장치(1)의 제조 비용을 저렴하게 할 수 있다. 또한 자기 검출 코일(11B)은 그 크기(직경, 두께, 감기 수, 코일의 선 직경 등)를 어느 정도 변경할 수 있으므로, 무선 전력 전송 장치(1)의 크기나 공간에 맞추어 코일의 크기를 조정하는 것이 가능하다.
(자계 강도의 검출 감도를 높이는 구성)
다음으로, 자계 강도의 검출 감도를 높이는 구성에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 자기 홀 센서(11A) 등에서 측정된 출력 전압은 자계 강도에 대하여 비례 관계에 있기 때문에, 측정한 출력 전압의 변화를 자계 강도의 변화로서 측정할 수 있다. 여기서, 정상 충전 상태, 대기 상태 및 이상 상태에 있어서의 자계 강도, 즉, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압은, 높은 쪽이 검출하기 쉬워 검출 정밀도가 높다. 가령, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기를 어느 위치에 배치할지에 따라 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압이 바뀐다고 하면, 출력 전압이 높아지는 위치에 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기를 배치할 것이 요망된다. 따라서 이하의 설명에서는, 상기 자계 공간을 형성 가능한 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기를 어느 위치에 배치하는 것이 좋을지에 대하여 설명한다.
구체적으로는, 자기 홀 센서(11A)를 급전 코일(21) 및 수전 공진기(32)의 코일 내부의 어느 위치에 배치하는 것이 좋을지를 측정 실험 3에 의하여 설명한다. 또한 자기 홀 센서(11A)를 어느 방향으로 배치할지에 대해서도 측정 실험 4에 의하여 설명한다.
(측정 실험)
측정 실험 3, 4에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 도 19에 도시한 바와 같이 급전 코일(21)은 저항기 R1, 코일 L1, 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L1 부분은 선 직경 0.12㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경을 11㎜φ로 설정하였다. 또한 급전 공진기(22)는 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L2 부분은 선 직경 0.12㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경 11㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한 도 20에 도시한 바와 같이 수전 공진기(32)는 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L3 부분은 선 직경 0.1㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경 9㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한 수전 코일(31)은 저항기 R4, 코일 L4, 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있으며, 코일 L4 부분은 선 직경 0.1㎜의 구리선재를 사용하고 코일 직경을 9㎜φ로 설정하였다. 또한 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)의 내주측에, 형성되는 자계 공간 G1의 자계 강도를 보다 작게 하기 위하여(측정되는 자계 강도의 변화가 보다 명확해지도록) 두께 450㎛의 원통형 자성재(23)를 배치하였다. 마찬가지로 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)의 내주측에도 두께 450㎛의 원통형 자성재(33)를 배치하였다. 그리고 측정 실험 3, 4에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 R1, R2, R3, R4의 값을 각각 1.9Ω, 2.5Ω, 1.7Ω, 2Ω으로 설정하였다. 또한 L1, L2, L3, L4의 값을 각각 12.5μH, 18.8μH, 7μH, 5.5μH로 설정하였다. 또한 C1, C2, C3, C4의 값을 각각 2㎋, 1.33㎋, 3.6㎋, 4.7㎋로 설정하였다. 또한 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 1㎒이다.
또한 도 19에 도시한 바와 같이 급전 모듈(2)에서는, 급전 코일(21)은 코일 중심축 방향의 두께가 3㎜인 솔레노이드형으로 되어 있다. 또한 급전 공진기(22)는 코일 중심축 방향의 두께가 3.5㎜인 솔레노이드형으로 되어 있다. 그리고 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리는, 도 19에 도시한 바와 같이 코일 중심축 방향으로 3.5㎜로 되도록 설정하였다.
또한 도 20에 도시한 바와 같이 정상 충전 상태에서는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23은 3㎜로 설정한다.
또한 도 21에 도시한 바와 같이 이상 상태를 상정할 때 사용하는 금속 이물(60)로는, 직경 9㎜φ, 두께 0.5㎜의 원기둥형 구리판, 및 직경 11.6㎜φ, 두께 5.4㎜의 원기둥형 공기 아연 전지(Zinc Air)를 사용하고 있다. 또한 급전 공진기(22)와 금속 이물(60) 사이의 거리 d23은 3㎜로 설정한다.
(측정 실험 3)
측정 실험 3에서는, 도 19 내지 도 21에 도시한 바와 같이, 대기 상태(도 19 참조), 정상 충전 상태(도 20 참조) 및 이상 상태(도 21 참조)를 상정한 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)의 내주측에 자기 홀 센서(11A)(Allegro Micro Systems 제조의 A1324LUA 리니어형)를 다양한 위치에 배치하고, 자기 홀 센서(11A)에 접속한 오실로스코프(엔에프 가이로 셋케이 블록사 GDS2064)에 의하여 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다.
자기 홀 센서(11A)는, 도 19에 도시한 바와 같이 세로 폭 3㎜, 가로 폭 4㎜, 두께 1.5㎜의 박판형을 한 자계 검출기이며, 박판형 반도체를 내포하고, 이 박판형 반도체에 대한 홀 효과를 이용하여 자계 강도를 검출한다.
구체적으로는, 측정 실험 3의 첫 번째는, 대기 상태(도 19 참조), 정상 충전 상태(도 20 참조) 및 이상 상태(도 21 참조)를 상정한 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 가로 방향으로 한 자기 홀 센서(11A)(도 23의 B 참조)를 코일 중심축을 따라(도 22의 A 참조) 급전 코일(21)의 외면측(21A)으로부터 수전 공진기(32)로 이동시키면서 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 즉, 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 솔레노이드형 코일의 코일 중심축을 따라, 급전 시에 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 대향하지 않는 면측(21A 참조)으로부터 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 대향하는 면측(대향면측(22A): 도 19 참조)으로 이동시키면서 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 그 측정 결과를 도 24의 A에 나타낸다.
여기서, 도 23의 B에 도시한 바와 같이 가로 방향으로 한 자기 홀 센서(11A)란, 자기 홀 센서(11A)가 내포하는 박판형 반도체의 박판면이 코일의 중심축 방향에 대하여 수직으로 되도록 배치하는 것이다. 또한 도 23의 A에 도시한 바와 같이 세로 방향으로 한 자기 홀 센서(11A)란, 자기 홀 센서(11A)가 내포하는 박판형 반도체의 박판면이 코일의 중심축 방향으로 되도록 배치하는 것이다.
도 24의 측정 결과에 있어서의 가로축 h(㎜)는, 도 19 내지 도 21에 도시한 바와 같이 급전 코일(21)의 외면측(21A)을 기준 「0㎜」로 하여, 대향면측(22A)으로의 코일 중심축 방향의 거리를 나타내고 있다. 또한 세로축은 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압 Vp-p(㎷)의 값이다. 또한 사각형(□) 측정값을 잇는 실선은 대기 상태에 있어서의 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압이다. 또한 삼각형(△) 측정값을 잇는 실선은, 금속 이물(60)로 공기 아연 전지(Zinc Air)를 사용한 이상 상태에 있어서의 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압이다. 또한 마름모형(◇) 측정값을 잇는 실선은, 금속 이물(60)로 구리판을 사용한 이상 상태에 있어서의 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압이다. 또한 원형(○) 측정값을 잇는 실선은 정상 충전 상태에 있어서의 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압이다.
다음으로, 측정 실험 3의 두 번째는, 대기 상태(도 19 참조), 정상 충전 상태(도 20 참조) 및 이상 상태(도 21 참조)를 상정한 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 가로 방향으로 한 자기 홀 센서(11A)(도 23의 B 참조)를, 급전 공진기(22)의 코일 내주면을 따라(도 22의 C 참조) 급전 코일(21)의 외면측(21A)으로부터 급전 공진기(22)로 이동시키면서 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 즉, 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 솔레노이드형 코일 내주면을 따라, 급전 시에 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 대향하지 않는 면측(21A 참조)으로부터 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 대향하는 면측(대향면측(22A): 도 19 참조)로 이동시키면서 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 그 측정 결과를 도 24의 C에 나타낸다.
도 24의 A 및 C의 측정 결과를 살펴보면, 도 24의 A에 나타낸 바와 같이 자기 홀 센서(11A)를 코일 중심축을 따라 이동시켰을 경우보다도, 도 24의 C에 나타낸 바와 같이 자기 홀 센서(11A)를 급전 공진기(22)의 코일 내주면을 따라 이동시켰을 경우 쪽이, 자기 홀 센서(11A)가 측정한 출력 전압은 높은 것을 알 수 있다. 즉, 자기 홀 센서(11A)를 코일 중심축을 따른 위치에 배치했을 경우보다도, 자기 홀 센서(11A)를 급전 공진기(22)의 코일 내주면측에 배치했을 경우 쪽이, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압은 검출하기 쉬워 검출 정밀도가 높은 것을 알 수 있다.
또한 도 24의 A 및 C의 측정 결과를 살펴보면 양쪽 측정 결과 모두, 급전 코일(21)의 외면측(21A)(h=0㎜)으로부터 급전 공진기(22)의 대향면측(22A)(h=10㎜)으로 자기 홀 센서(11A)를 이동시킴에 따라, 자기 홀 센서(11A)가 측정한 출력 전압이 높게 되어 있음을 알 수 있다. 즉, 자기 홀 센서(11A)를 급전 코일(21)의 외면측(21A)보다도 급전 공진기(22)의 대향면측(22A)에 배치했을 경우 쪽이, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압은 검출하기 쉬워 검출 정밀도가 높은 것을 알 수 있다.
또한 도 24의 A 및 C의 측정 결과에서는, 자기 홀 센서(11A)에서 측정되는 출력 전압은, h=11㎜인 장소, 즉, 자기 홀 센서(11A)가 급전 공진기(22)의 대향면(22A)으로부터 1㎜ 정도 돌출된 장소가 최고였다. 따라서 급전 모듈(2)의 구성상, 가능하면 출력 전압의 검출 정밀도를 가장 높이기 위하여, 자기 홀 센서(11A)를 급전 공진기(22)의 대향면(22A)으로부터 약간 돌출된 장소에 배치해도 된다. 단, 자기 홀 센서(11A)를 급전 공진기(22)의 코일 내주부측에 배치하여 콤팩트화를 도모하고자 하는 의도에서는, 자기 홀 센서(11A)를 급전 공진기(22)의 코일 내주면측, 또한 급전 공진기(22)의 대향면(22A)을 따른 위치(h=10㎜)에 배치하면 된다.
여기서, 측정 실험 3의 세 번째로서, 대기 상태(도 19 참조)를 상정한 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 가로 방향으로 한 자기 홀 센서(11A)(도 23의 B 참조)를, 코일 중심축으로부터 코일 내주면측으로 2.5㎜ 이격된 위치에서(도 22의 B 참조), 코일 중심축 방향으로 급전 코일(21)의 외면측(21A)으로부터 급전 공진기(22)로 이동시키면서 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 그 측정 결과를 도 25의 삼각형(△) 측정값을 잇는 실선(중간)으로 나타낸다. 또한 도 25에서는, 도 24의 A(자기 홀 센서(11A)를 코일 중심축에 배치했을 경우)의 대기 상태에 있어서의 측정 결과를, 원형(○) 측정값을 잇는 실선(중심)으로 나타내었다. 또한 도 25에서는, 도 24의 C(자기 홀 센서(11A)를 코일 내주면측에 배치했을 경우)의 대기 상태에 있어서의 측정 결과를, 사각형(□) 측정값을 잇는 실선(중심)으로 나타내었다.
도 25의 측정 결과를 살펴보면 코일 중심축(도 22의 A 참조)으로부터, 코일 중심축으로부터 코일 내주면측으로 2.5㎜ 이격된 위치(도 22의 B 참조)를 거쳐, 급전 공진기(22)의 코일 내주면측(도 22의 C 참조)으로 자기 홀 센서(11A)를 이동시킴에 따라, 자기 홀 센서(11A)가 측정한 출력 전압이 높게 되어 있음을 알 수 있다. 즉, 자기 홀 센서(11A)를 코일 중심축보다도 급전 공진기(22)의 코일 내주면측에 배치했을 경우 쪽이, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압은 검출하기 쉬워 검출 정밀도가 높은 것을 알 수 있다.
또한 도 26에, 측정 실험 3의 첫 번째에서 측정한, 대기 상태에서의 출력 전압으로부터 정상 충전 상태에서의 출력 전압을 뺀 값을, 원형(○)값을 잇는 실선(중심)으로 나타내었다. 마찬가지로, 측정 실험 3의 두 번째에서 측정한, 대기 상태에서의 출력 전압으로부터 정상 충전 상태에서의 출력 전압을 뺀 값을, 사각형(□)값을 잇는 실선(내주측)으로 나타내었다.
도 26의 결과를 살펴보면 자기 홀 센서(11A)를 코일 중심축을 따른 위치에 배치시켰을 경우보다도, 자기 홀 센서(11A)를 급전 공진기(22)의 코일 내주면을 따른 위치에 배치시켰을 경우 쪽이, 대기 상태에서의 출력 전압으로부터 정상 충전 상태에서의 출력 전압을 뺀 값이 커지는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 대기 상태에서의 출력 전압으로부터 정상 충전 상태에서의 출력 전압을 뺀 값이 커지면, 정상 충전 상태에 있어서의 출력 전압과 대기 상태에 있어서의 출력 전압 간에 큰 차를 형성할 수 있으므로, 정상 충전 상태에 있어서의 출력 전압과 대기 상태에 있어서의 출력 전압 간의 차가 작은 경우에 비하여 오검출의 가능성을 방지하는 것이 가능해진다. 따라서 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압은, 검출하기 쉬워 검출 정밀도가 높아진다고 할 수 있다.
(측정 실험 4)
측정 실험 4에서는, 대기 상태(도 19 참조)를 상정한 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 코일 중심축을 따라 자기 홀 센서(11A)(Allegro Micro Systems 제조의 A1324LUA 리니어형)의 방향을 바꾸어, 자기 홀 센서(11A)에 접속한 오실로스코프(엔에프 가이로 셋케이 블록사 GDS2064)에 의하여 자기 홀 센서(11A)의 출력 전압을 측정한다. 구체적으로는 자기 홀 센서(11A)의 방향은, 상술한 바와 같이 세로 방향(도 23의 A) 및 가로 방향(도 23의 B)으로 했을 경우에 대하여 측정하였다. 그 측정 결과를 도 27에 나타낸다. 또한 도 27에서는, 자기 홀 센서(11A)의 방향을 세로 방향(도 23의 A)으로 했을 경우의 측정 결과를, 사각형(□) 측정값을 잇는 실선(세로)으로 나타내었다. 또한 자기 홀 센서(11A)의 방향을 가로 방향(도 23의 B)으로 했을 경우의 측정 결과를, 마름모형(◇) 측정값을 잇는 실선(가로)으로 나타내었다.
도 27의 측정 결과를 살펴보면 자기 홀 센서(11A)를 세로 방향으로 배치했을 경우보다도 자기 홀 센서(11A)를 가로 방향에 배치했을 경우 쪽이, 자기 홀 센서(11A)가 측정한 출력 전압은 높은 것을 알 수 있다. 즉, 자기 홀 센서(11A)를 세로 방향으로 배치했을 경우보다도 자기 홀 센서(11A)를 가로 방향으로 배치했을 경우 쪽이, 자기 홀 센서(11A) 등의 자계 검출기에서 측정되는 출력 전압은 검출하기 쉬워 검출 정밀도가 높은 것을 알 수 있다.
(효과)
상기 구성에 의하면, 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 코일 중심축보다도 코일의 내주면측에 배치함으로써, 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 코일의 중심축에 배치했을 경우보다도 자계 강도의 검출 감도를 높일 수 있다.
또한 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 코일의 내주면을 따른 위치에 배치함으로써, 자계 강도의 검출 감도를 보다 높일 수 있다.
또한 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 코일의 내주측에서, 급전 공진기(22)가 갖는 코일과 수전 공진기(32)가 갖는 코일이 대향하지 않는 면(21A)보다도 대향하는 면측(대향면측(22A))에 배치함으로써, 급전 공진기(22)가 갖는 코일과 수전 공진기(32)가 갖는 코일이 대향하지 않는 면측(21A)에 배치했을 경우보다도 자계 강도의 검출 감도를 높일 수 있다.
또한 자기 홀 센서(11A)를, 급전 공진기(22)가 갖는 코일과 수전 공진기(32)가 갖는 코일이 대향하는 면(대향면(22A))을 따른 위치에 배치함으로써, 자계 강도의 검출 감도를 보다 높일 수 있다.
또한 자기 홀 센서(11A)가 내포하는 박판형 반도체의 박판면을, 급전 공진기(22)가 갖는 코일의 내주측에서, 코일 중심축 방향에 대하여 수직 방향으로 되도록 배치(가로 방향)함으로써, 자기 홀 센서(11A)를 세로 방향으로 배치했을 경우에 비하여 자계 강도의 검출 감도를 높일 수 있다.
(그 외의 실시 형태)
상기 설명에서는, 충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)을 예시하여 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 2차 전지(9)를 포함하는 것으로서 설명했지만 이에 한정되지 않으며, 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 탑재했을 경우를 상정하여 설명했지만 용도는 이들 소형의 것에 한정되지 않으며, 필요 전력량에 맞춰 사양을 변경함으로써, 예를 들어 비교적 대형의 전기 자동차(EV)에 있어서의 무선 충전 시스템이나, 보다 소형의 의료용 무선식 위 카메라 등에도 탑재할 수 있다.
상기에서는, 급전 공진기(22)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성했을 경우에 대하여 설명했지만, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이 2개의 피크 대역을 갖는 경우에, 저주파수측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))에, 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정하고, 도 5에 도시한 바와 같이, 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)보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G2를 형성해도 된다. 이 경우, 자계 검출기(11)는, 급전 공진기(22)의 외주측의 자계 공간 G2가 형성되는 공간에 배치되게 된다.
이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 특징적 부분을 중심으로 하여 설명했지만, 본 발명은 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태·실시예에 한정되지 않으며, 그 외의 실시 형태·실시예에도 적용할 수 있고 그 적용 범위는 가급적 넓게 해석되어야 한다. 또한 본 명세서에 있어서 사용한 용어 및 어법은 본 발명을 적확(的確)하게 설명하기 위하여 사용한 것이며, 본 발명의 해석을 제한하기 위하여 사용한 것은 아니다. 또한 당업자라면 본 명세서에 기재된 발명의 개념으로부터, 본 발명의 개념에 포함되는 다른 구성, 시스템, 방법 등을 추고(推考)하는 것은 용이하다고 생각된다. 따라서 청구범위의 기재는, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 균등 구성을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 또한 본 발명의 목적 및 본 발명의 효과를 충분히 이해하기 위하여, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작할 것이 요망된다.
1: 무선 전력 전송 장치
2: 급전 모듈
3: 수전 모듈
4: 판단 제어 기기
5: 전원 회로
6: 전원
7: 안정 회로
8 충전 회로
9: 충전지
10: 피급전 기기
11: 자계 검출기
12: 통지 장치
21: 급전 코일
22: 급전 공진기
31: 수전 코일
32: 수전 공진기
101: 충전기
102: 무선식 헤드셋
G1·G2: 자계 공간

Claims (12)

  1. 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하는 조건에서 수전 모듈과의 사이에 공진 현상을 일으킴으로써 전력을 상기 수전 모듈에 공급하는 급전 모듈과,
    상기 자계 공간이 형성되는 위치에 배치되어 자계 강도를 검출하는 자계 검출기와,
    상기 자계 검출기가 검출한 자계 강도의 값에 기초하여 상기 수전 모듈에 대한 전력 공급의 이상을 판단하는 판단 제어 기기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판단 제어 기기는, 상기 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때 상기 급전 모듈에 대한 전력 공급을 정지시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    외부에 통지하는 통지 장치를 구비하고,
    상기 제어 기기는, 상기 전력 공급의 이상이라고 판단했을 때 상기 통지 장치에 의하여 상기 전력 공급의 이상을 통지하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 적어도 소정의 공진 주파수로 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
    상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의하여 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다도 고주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 적어도 소정의 공진 주파수로 공진하는 급전 공진기 및 수전 공진기를 갖고,
    상기 급전 공진기로부터 상기 수전 공진기에 대하여 상기 공진 현상에 의하여 전력을 공급할 때, 상기 급전 공진기에 흐르는 전류의 방향과 상기 수전 공진기에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되도록, 상기 전원의 전원 주파수를 상기 공진 주파수보다도 저주파수측으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자계 검출기는 자기 홀 센서인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자계 검출기는 코일인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 급전 공진기는 코일을 갖고,
    상기 자계 검출기는 상기 코일의 중심축보다도 상기 코일의 내주면측에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자계 검출기는 상기 코일의 내주면을 따른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기는 각각 코일을 갖고,
    상기 자계 검출기는, 상기 급전 공진기가 갖는 코일의 내주측에서, 상기 급전 공진기가 갖는 코일과 상기 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하지 않는 면보다도 대향하는 면측에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자계 검출기는, 상기 급전 공진기가 갖는 코일과 상기 수전 공진기가 갖는 코일이 대향하는 면을 따른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 급전 공진기는 코일을 갖고,
    상기 자계 검출기는 박판형 반도체에 대한 홀 효과를 이용하여 자계 강도를 검출하는 자기 홀 센서이며,
    상기 자기 홀 센서는, 상기 박판형 반도체가, 상기 급전 공진기가 갖는 코일의 내주측에서, 상기 코일의 중심축 방향에 대하여 수직 방향으로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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