TW201433040A - 無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法 - Google Patents

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Hisashi Tsuda
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Abstract

作為自具備供電線圈21及供電共振器22之供電模組2對具備受電共振器32及受電線圈31之受電模組3使磁場改變而供給電力之無線電力傳送裝置1之供給電力控制方法，供給至供電模組2之電力之驅動頻率係以不會成為供電模組2及受電模組3之共振頻率之值供給，將構成供電模組2及受電模組3之電路元件之各元件值作為參數，並分別改變參數，藉此設定無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。

Description

無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法
本發明係關於一種可提高設計自由度之無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法。
近年來，筆記型PC、平板型PC、數位攝像機、行動電話、行動式遊戲機、耳機型音樂播放器、無線式頭戴型耳機、助聽器、記錄器等人可行動使用之行動式之電子機器正快速普及。而且，該等行動式之電子機器之大部分中搭載有充電電池，需要定期充電。為了簡化對該電子機器之充電電池之充電作業，藉由於供電裝置與搭載於電子機器之受電裝置之間利用無線傳送電力之供電技術(改變磁場而進行電力傳送之無線電力傳送技術)來對充電電池進行充電的機器正不斷增加。
例如，作為無線電力傳送技術，列舉利用線圈間之電磁感應進行電力傳送之技術(例如參照專利文獻1)、藉由利用供電裝置及受電裝置具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁場共振態)使磁場耦合而進行電力傳送的技術(例如參照專利文獻2)。
藉由使用此種無線電力傳送技術穩定地對充電電池進行充電時，要求將供給至充電電池之電力(電流)以特定範圍內之值供給。其理由列舉：若供給至充電電池之電力(電流)小於特定範圍內之值則變 成小電力(小電流)，根據充電電池之特性，無法進行充電；另一方面，若供給至充電電池之電力(電流)大於特定範圍內之值則變成過電流，充電電池或充電電路發熱而有可能縮短充電電池或充電電路之壽命。
為了回應上述要求，考慮藉由控制進行無線電力傳送之供電裝置及受電裝置中之輸入阻抗，而將供給至充電電池之電力(電流)控制為特定範圍內之值。
而且，為了控制進行無線電力傳送之供電裝置及受電裝置中之輸入阻抗，考慮於受電裝置等個別地設置阻抗匹配器。例如，於專利文獻3所記載之非接觸供電系統中，作為相當於上述阻抗匹配器之機構而設置自動匹配器12、及自動匹配器23(阻抗調整機構)，藉此控制非接觸供電系統中之輸入阻抗(參照專利文獻3之圖1)。
然而，新設置阻抗匹配器者，對於要求行動性、精簡化、低成本化之行動電子機器而言，有零件件數變多之不佳狀況。
因此，考慮藉由調整設於進行無線電力傳送之供電裝置及受電裝置之電阻器、電容器或線圈等之電容，來控制輸入阻抗。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4624768號公報
[專利文獻2]日本專利特開2010-239769號公報
[專利文獻3]日本專利特開2011-050140號公報
[專利文獻4]日本專利特開2012-182975號公報
但，如專利文獻3之背景技術(參照段落[0008]~[0010])、專利文獻4之無線電力傳送系統之說明書中亦記載般，已知藉由使供電裝置 及受電裝置具備之共振器所具有的共振頻率與供給至供電裝置之電力之驅動頻率一致(或者使驅動頻率與供電裝置及受電裝置具備之共振器所具有的共振頻率一致)，可使無線供電之電力傳送效率最大(參照專利文獻4之段落[0013])，為獲得電力傳送效率之最大化一般係進行此種設定。而且，此種供電裝置及受電裝置中之共振器分別為包含LC共振電路之構成，因此，為了使電力傳送效率最大，供電裝置及受電裝置中之LC共振電路必然地要決定各自之共振頻率與驅動頻率一致之值(電容器或線圈等之電容：共振條件ωL=1/ωC)(參照專利文獻4之段落[0027])。
如此，為了使無線供電之電力傳送效率最大化，通常係使供給至供電裝置之電力之驅動頻率與共振頻率一致，但要預先決定LC共振電路之電容器或線圈等之電容，無法將LC共振電路之電容器或線圈等之電容作為控制輸入阻抗之參數而自由地變更。即，為了控制輸入阻抗而無法自由地設定LC共振電路之電容器或線圈等之電容，意味著對於要求行動性、精簡化、低成本化之行動式之電子機器之設計的自由度較低。
因此，本發明之目的在於提供一種藉由包括設於進行無線電力傳送之供電裝置及受電裝置之電容器或線圈等之電容在內自由地調整其值而可設定輸入阻抗之值由此可控制所供給之電力(電流)的無線電力傳送裝置、供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法。
用於解決上述問題之發明之一係一種無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置係自具備供電線圈及供電共振器中之至少一者之供電模組對具備受電共振器及受電線圈中之至少一者之受電模組使磁場改變而供給電力，供給至上述供電模組之電力之驅動頻率係以不會成為上述供電模組及上述受電模組中之 共振頻率之值供給，將構成上述供電模組及上述受電模組之複數個電路元件之各元件值作為參數，並分別改變該參數，藉此設定該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。
根據上述方法，藉由將供給至供電模組之電力之驅動頻率以不會成為供電模組及受電模組中之共振頻率的值進行供給，可將構成供電模組及受電模組之複數之電路元件之各元件值作為改變該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin的參數而自由地變更。而且，藉由根本改變該參數，可設定無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。如此，為控制輸入阻抗Zin而可將構成供電模組及受電模組之複數之電路元件之各元件值作為參數自由地設定，可提高無線電力傳送裝置之設計自由度，從而可實現無線電力傳送裝置自身之行動性、精簡化、低成本化。
又，用於解決上述問題之發明之一係一種無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置係藉由共振現象而自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對至少具備受電共振器及受電線圈之受電模組供給電力，且該供給電力控制方法係供給至上述供電模組之電力之驅動頻率係以不會成為上述供電模組及受電模組中之共振頻率之值供給，將構成上述供電線圈且包含線圈L1之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z1，將構成上述供電共振器且包含線圈L2之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z2，將構成上述受電共振器且包含線圈L3之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z3，將構成上述受電線圈且包含線圈L4之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z4，將自上述受電線圈供電之機器之合計之負荷阻抗設為Z1，將上述供電線圈之線圈L1與上述供電共振器之線圈L2之間之互感設為M12，將上述供電共振器之線圈L2與上述受電共振器之線圈L3之間之互感設為M23，將上述受電共振器之線圈L3與上述受電線圈之線 圈L4之間之互感設為M34，將構成上述供電線圈、上述供電共振器、上述受電共振器、及上述受電線圈之複數個電路元件之各元件值、及上述互感作為參數，並分別改變該參數，藉此控制由下述關係式導出之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。
根據上述方法，關於藉由共振現象而自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對至少具備受電共振器及受電線圈之受電模組供給電力之無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，藉由以滿足上述關係式之方式分別改變參數，可控制輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。如此，為控制輸入阻抗Zin而可將構成供電模組及受電模組之複數個電路元件之各元件值作為參數自由地設定，可提高無線電力傳送裝置之設計自由度，從而可實現無線電力傳送裝置自身之行動性、精簡化、低成本化。
又，用於解決上述問題之發明之一係如上述無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其特徵在於，將構成上述供電模組及上述受電模組之複數個電路元件之各元件值、及上述互感作為參數，並分別改變該參數，藉此將相對於供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率之傳送特性之值，以於低於上述共振頻率之驅動頻帶及高於上述共振 頻率之驅動頻帶分別具有波峰之方式設定。
藉由上述方法，以相對於供給至供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值於低於共振頻率之驅動頻帶及高於共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰(具有後述之雙峰性之性質)的方式進行設定。藉此，與相對於供給至供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值之波峰於共振頻帶出現一個的類型(具有後述之單峰性之性質)相比，具有雙峰性之性質之無線電力傳送裝置可擴大輸入阻抗Zin之可變範圍。而且，所謂能夠擴大輸入阻抗Zin之可變範圍，將構成供電模組及受電模組之複數之電路元件之各元件值、及互感作為參數，與具有單峰性之性質之設定相比，可範圍較廣地進行設定，可進一步提高無線電力傳送裝置之設計自由度，從而可實現無線電力傳送裝置自身之行動性、精簡化、低成本化。
又，用於解決上述問題之發明之一係如上述無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其特徵在於，供給至上述供電模組之電力之驅動頻率係與於低於上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域。
根據上述方法，無論傳送特性具有雙峰性之性質時，還是傳送特性具有單峰性之性質時，雖然在驅動頻率配合共振頻率方面有不足，但能夠在某種程度上確保較高之傳送特性。
又，產生於供電模組之外周側之磁場與產生於受電模組之外周側之磁場抵消，藉此於供電模組及受電模組之外周側，磁場所致之影響減小，而可形成具有較供電模組及受電模組之外周側以外之磁場強度小之磁場強度的磁場空間。藉此，藉由於所形成之磁場空間儲存不願受到磁場影響之電路等，可有效活用空間，從而可實現無線電力傳送裝置自身之小型化。
又，用於解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置之 供給電力控制方法，其特徵在於，供給至上述供電模組之電力之驅動頻率係與於高於上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域。
根據上述方法，無論傳送特性具有雙峰性之性質時，還是傳送特性具有單峰性之性質時，雖然在驅動頻率配合共振頻率方面有不足，但能夠在某種程度上確保較高之傳送特性。
又，產生於供電模組之內周側之磁場與產生於受電模組之內周側之磁場抵消，藉此於供電模組及受電模組之內周側，磁場所致之影響減小，而可形成具有較供電模組及受電模組之內周側以外之磁場強度小之磁場強度的磁場空間。藉此，藉由於所形成之磁場空間儲存不願受到磁場影響之電路等，而可有效活用空間，從而可實現無線電力傳送裝置自身之小型化。
又，用於解決上述問題之本發明亦可為一種無線電力傳送裝置，其特徵在於，其藉由上述供給電力控制方法而經調整。
根據上述構成，為控制輸入阻抗，可將構成供電模組及受電模組之複數之電路元件之各元件值作為參數而自由地設定。藉此，可提高無線電力傳送裝置之設計自由度，從而可實現無線電力傳送裝置自身之行動性、精簡化、低成本化。
又，用於解決上述問題之本發明係一種無線電力傳送裝置之製造方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置自具備供電線圈及供電共振器之至少一者之供電模組對具備受電共振器及受電線圈之至少一者之受電模組供給之電力之驅動頻率，係以不會成為上述供電模組及受電模組中之共振頻率的值進行供給，且使磁場改變而供給電力，該製造方法包含設計步驟：將構成上述供電模組及上述受電模組之複數個電路元件之各元件值作為參數，並分別改變該參數，藉此控制該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin，而調整該無線電力傳送裝置所能供給 之電力。
根據上述方法，為控制輸入阻抗，將構成供電模組及受電模組之複數之電路元件之各元件值作為參數而自由地設定，可提高無線電力傳送裝置之設計自由度，從而可製造行動性、精簡化、低成本化優異之無線電力傳送裝置。
可提供包括設於進行無線電力傳送之供電裝置及受電裝置之電容器或線圈等之電容在內自由地調整其值，藉此設定輸入阻抗之值由此可控制所供給之電力(電流)的無線電力傳送裝置、供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法。
1‧‧‧無線電力傳送裝置
2‧‧‧供電模組
3‧‧‧受電模組
6‧‧‧交流電源
7‧‧‧穩定電路
8‧‧‧充電電路
9‧‧‧充電電池
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
51‧‧‧虛線
52‧‧‧實線
101‧‧‧無線電力傳送裝置
110‧‧‧網路分析儀
111‧‧‧輸出端子
112‧‧‧輸入端子
121‧‧‧供電線圈
131‧‧‧受電線圈
200‧‧‧無線式頭戴型耳機
201‧‧‧充電器
201a‧‧‧耳機揚聲器部
C1~C4‧‧‧電容器
Iin‧‧‧電流
L1~L4‧‧‧線圈
M12‧‧‧線圈L1與L2之間之互感
M23‧‧‧線圈L2與L3之間之互感
M34‧‧‧線圈L3與L4之間之互感
R1~R4‧‧‧電阻器
S1~S7‧‧‧步驟
S21‧‧‧傳送特性
Vin‧‧‧電壓
圖1係無線電力傳送裝置之概略說明圖。
圖2係適當電流範圍之說明圖。
圖3係無線電力傳送裝置之等效電路之說明圖。
圖4係表示相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之關係之說明圖。
圖5係測定實驗1中使用之無線電力傳送裝置之概略說明圖。
圖6係表示測定實驗1之比較例之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時的輸入阻抗Zin之可變範圍之測定結果之表。
圖7係表示測定實驗1之實施例之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時的輸入阻抗Zin之可變範圍之測定結果之表。
圖8(A)、(B)係表示測定實驗1中傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin測定中，將傳送特性『S21』設定為-2.2dB之情形時及設定為-2.8dB之情形時的輸入阻抗Zin之可變範圍之測定結果之表。
圖9係測定實驗2中使用之無線電力傳送裝置之等效電路之說明 圖。
圖10係表示測定實驗2之比較例之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍之測定結果的表。
圖11係表示測定實驗2之實施例之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍之測定結果的表。
圖12(A)、(B)係表示測定實驗2中傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin測定中，將傳送特性『S21』設定為-2.0dB之情形時及設定為-2.7dB之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍之測定結果的表。
圖13係說明無線電力傳送裝置之製造方法之說明圖。
圖14係說明包含無線電力傳送裝置之無線式頭戴型耳機及充電器之設計方法的流程圖。
以下，對本發明之無線電力傳送裝置、供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法之實施形態進行說明。
(實施形態)
首先，在說明無線電力傳送裝置之供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法之前，先說明藉由供給電力控制方法或製造方法而設計、製造之無線電力傳送裝置1。
(無線電力傳送裝置1之構成)
如圖1所示，無線電力傳送裝置1包括具備供電線圈21及供電共振器22之供電模組2、以及具備受電線圈31及受電共振器32之受電模組3。而且，對供電模組2之供電線圈21連接具備將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定為特定值之振盪電路的交流電源6，且對受電模組3之受電線圈31經由將接收到之交流電力整流化之穩定電路7及防止過充電之充電電路8而連接有充電電池9。
供電線圈21發揮將自交流電源6獲得之電力藉由電磁感應而供給至供電共振器22之作用。如圖3所示，該供電線圈21構成為以電阻器R1、線圈L1、及電容器C1為要素之RLC電路。再者，線圈L1部分係將銅線材(具絕緣被膜)捲繞一次，並將線圈徑設定為96mm 。又，將構成供電線圈21之電路元件所具有之合計之阻抗設為Z1，於本實施形態中，係將構成供電線圈21之以電阻器R1、線圈L1、及電容器C1為要素之RLC電路(電路元件)所具有的合計之阻抗設為Z1。
受電線圈31發揮如下作用：藉由電磁感應而接收作為磁場能量自供電共振器22傳送至受電共振器32之電力，並經由穩定電路7及充電電路8而供給至充電電池9。該受電線圈31係與供電線圈21同樣地，如圖3所示，構成為以電阻器R4、線圈L4、及電容器C4為要素之RLC電路。再者，線圈L4部分係將銅線材(具絕緣被膜)捲繞一次，並將線圈徑設定為96mm 。又，將構成受電線圈31之電路元件所具有之合計之阻抗設為Z4，於本實施形態中，係將構成受電線圈31之以電阻器R4、線圈L4、及電容器C4為要素之RLC電路(電路元件)所具有的合計之阻抗設為Z4。又，於圖3中，為方便起見，將連接於受電線圈31之穩定電路7、充電電路8及充電電池9之各負荷電阻總稱為電阻器R1(即，電阻器R1之值係連接於無線電力傳送裝置1之機器之負荷電阻之總計值)。而且，將由受電線圈31供電之機器(本實施形態中為穩定電路7、充電電路8及充電電池9)之合計之負荷阻抗設為Z1。
如圖3所示，供電共振器22構成以電阻器R2、線圈L2、及電容器C2為要素之RLC電路。又，如圖3所示，受電共振器32構成為以電阻器R3、線圈L3、及電容器C3為要素之RLC電路。而且，供電共振器22及受電共振器32分別成為共振電路，發揮產生磁場共振態之作用。此處，所謂磁場共振態(共振現象)，係指2個以上之線圈於共振頻率調諧。又，將構成供電共振器22之電路元件所具備之合計之阻抗設為 Z2，於本實施形態中，係將構成供電共振器22之以電阻器R2、線圈L2、及電容器C2為要素之RLC電路(電路元件)所具備之合計之阻抗設為Z2。又，將構成受電共振器32之電路元件所具備之合計之阻抗設為Z3，於本實施形態中，係將構成受電共振器32之以電阻器R3、線圈L3、及電容器C3為要素之RLC電路(電路元件)所具備之合計之阻抗設為Z3。
又，於供電共振器22及受電共振器32中之作為共振電路之RLC電路中，若將電感設為L、將電容器電容設為C，則由(式1)規定之f成為共振頻率。而且，本實施形態中之供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、及受電共振器32之共振頻率係設為12.8MHz。
又，供電共振器22及受電共振器32係使用將銅線材(具絕緣被膜)捲繞四次且線圈徑96mm 之螺線管型之線圈。又，供電共振器22及受電共振器32中之共振頻率一致。再者，供電共振器22及受電共振器32只要為使用有線圈之共振器則可為螺旋型或螺線管型等之線圈。
又，將供電線圈21與供電共振器22之間之距離設為d12，將供電共振器22與受電共振器32之間之距離設為d23，將受電共振器32與受電線圈31之間之距離設為d34(參照圖1)。
又，如圖3所示，將供電線圈21之線圈L1與供電共振器22之線圈L2之間之互感設為M12，將供電共振器22之線圈L2與受電共振器32之線圈L3之間之互感設為M23，將受電共振器32之線圈L3與受電線圈31之線圈L4之間之互感設為M34。又，於無線電力傳送裝置1中，將線圈 L1與線圈L2之間之耦合係數表述為k12，將線圈L2與線圈L3之間之耦合係數表述為k23，將線圈L3與線圈L4之間之耦合係數表述為k34。
又，供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34係於設計、製造階段等作為可變更之參數以滿足後述之(式3)之關係式的方式設定(詳細說明於後文敍述)。
根據上述無線電力傳送裝置1，於使供電共振器22之共振頻率與受電共振器32之共振頻率一致之情形時，可於供電共振器22與受電共振器32之間產生磁場共振態。若於供電共振器22及受電共振器32共振之狀態下產生磁場共振態，則可將電力作為磁場能量自供電共振器22傳送至受電共振器32。
(供給電力控制方法)
基於上述無線電力傳送裝置1之構成，說明對無線電力傳送裝置1供給之電力進行調整之供給電力控制方法。
首先，若表示根據上述構成之無線電力傳送裝置1(包含穩定電路7、充電電路8及充電電池9)之電路圖則如圖1之下圖所示。其係將無線電力傳送裝置1全體置換為一個輸入阻抗Zin而表示者。據此，可知控制自無線電力傳送裝置1輸出之電力時，若交流電源6為通常使用之定電壓電源則電壓Vin被保持為一定，故需要控制電流Iin之值。
而且，若以基於電壓Vin及輸入阻抗Zin之關係式表示該電流Iin則如(式2)所示。
此處，自本實施形態之無線電力傳送裝置1向充電電池9供給電力時，要求電流Iin之值如圖2所示般處於適當電流範圍內(Iin(MIN)~Iin(MAX))。要求電流Iin以適當電流範圍內之值進行供給之理由可列舉：若供給至充電電池9之電流小於Iin(MIN)之值則變成小電流，根據充電電池9之特性，導致無法進行充電；另一方面，若供給至充電電池9之電流大於Iin(MAX)之值則變成過電流，穩定電路7、充電電路8及充電電池9發熱，有可能縮短壽命。
根據上述理由，為了將電流Iin之值控制於適當電流範圍內(Iin(MIN)~Iin(MAX))，如圖2所示，需要將輸入阻抗Zin之值調整於Zin(MIN)~Zin(MAX)之範圍內。即，根據(式2)，若增大輸入阻抗Zin之值則可減小電流Iin之值，若減小輸入阻抗Zin之值則可增大電流Iin之值。
因此，為了更詳細地表示無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin而利用等效電路表示無線電力傳送裝置1之構成時則如圖3所示。而且，根據圖3之等效電路，無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin可如(式3)般表述。
而且，本實施形態中之無線電力傳送裝置1之供電線圈21、供電 共振器22、受電共振器32、及受電線圈31之阻抗Z1、Z2、Z3、Z4、Z1分別可如(式4)般表述。
其次，若將(式4)導入(式3)，則成為(式5)。
而且，供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34可於設計、製造階段等作為可變更之參數，以自上述(式5)之關係式導出之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值收於Zin(MIN)~Zin(MAX)之範圍內的方式進行調整。
但，於如上所述之無線電力傳送裝置中，已知藉由使供給至供 電模組2之電力之驅動頻率與供電模組2具備之供電線圈21、供電共振器22及受電模組3具備之受電線圈31、受電共振器32所具備之共振頻率一致，可使無線電力傳送之電力傳送效率最大，通常係求出電力傳送效率之最大化而將驅動頻率設定為共振頻率。此處，所謂電力傳送效率係指受電模組3接收之電力相對於供給至供電模組2之電力之比率。
若如此，於無線電力傳送裝置1中，為使電力傳送效率最大化，要求滿足如使驅動頻率、與供電模組2及受電模組3之各RLC電路之各者所具備之共振頻率一致之電容器或線圈等之電容條件、共振條件(ωL=1/ωC)。
具體而言，於無線電力傳送裝置1中，若將為使電力傳送效率最大而滿足共振條件(ωL=1/ωC)之情形時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin應用於(式5)，則變成(ωL1-1/ωC1=0)、(ωL2-1/ωC2=0)、(ωL3-1/ωC3=0)、(ωL4-1/ωC4=0)，成為(式6)之關係式。
根據上述關係式(式6)，可知為將無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值調整為收於Zin(MIN)~Zin(MAX)之範圍內而可變更之主要參數僅有供電線圈21之RLC電路之R1、供電共振器22之RLC電路之R2、受電共振器32之RLC電路之R3、受電線圈31之RLC電路之R4等之電阻值、及耦合係數k12、k23、k34。
如上述般，為使無線電力傳送裝置1之電力傳送效率最大化而使供給至供電模組2之電力之驅動頻率與共振頻率一致的情形時，供電模組2及受電模組3之各RLC電路之電容器或線圈等之電容被預先決定，主要僅有各RLC電路之電阻值能夠控制輸入阻抗Zin之值。該點意味著，無法將RLC電路之電容器或線圈等之電容作為控制輸入阻抗Zin之參數而自由地變更，無線電力傳送裝置1之設計的自由度變低。
另一方面，於本實施形態之無線電力傳送裝置1中，藉由使供給至供電模組2之電力之驅動頻率與供電模組2具備之供電共振器22及受電模組3具備之受電共振器32所具備之共振頻率不一致(ωL≠1/ωC)，能夠可變更地使用供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4等之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34，作為用於控制輸入阻抗Zin之參數。
藉此，構成無線電力傳送裝置1時，為了以將Iin之值控制於適當電流範圍內(Iin(MIN)~Iin(MAX))為目的，而將輸入阻抗Zin之值調整於Zin(MIN)~Zin(MAX)之範圍內，可使作為參數之供電線圈21之R1、L1、C1、供電共振器22之R2、L2、C2、受電共振器32之R3、L3、C3、受電線圈31之R4、L4、C4等之電阻值、電感、電容器電容、或耦合係數k12、k23、k34相互平衡而進行變更，可配合無線電力傳送裝置1之體積、形狀、總重量而適切地配置，從而可提高無線電力傳送裝置1之設計自由度。即，於無線電力傳送裝置1中，與通常使電力傳送效率最大化之先前方法相比，可增加調整輸入阻抗Zin之值之參數要素，從而能夠極精細地控制無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值。
根據上述，藉由使作為參數之供電線圈21之R1、L1、C1、供電共振器22之R2、L2、C2、受電共振器32之R3、L3、C3、受電線圈31之R4、L4、C4等之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、 k34相互平衡而進行變更，可實現能夠控制自(式3)導出之輸入阻抗Zin而調整無線電力傳送裝置1供給之電力之供給電力控制方法。
因此，根據上述方法，藉由將供給至供電模組2之電力之驅動頻率以不會成為供電模組2(供電線圈21、供電共振器22)及受電模組3(受電線圈31、受電共振器32)之共振頻率之值進行供給，可將構成供電模組2及受電模組3之電路元件之各元件值(供電線圈21之R1、L1、C1、供電共振器22之R2、L2、C2、受電共振器32之R3、L3、C3、受電線圈31之R4、L4、C4等之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34)，作為改變無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin的參數而自由地變更。而且，藉由以滿足上述關係式之方式變更參數，可控制無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。如此，為控制輸入阻抗Zin而可將構成供電模組2及受電模組3之電路元件之各元件值作為參數自由地變更，可提高無線電力傳送裝置1之設計自由度，從而可實現無線電力傳送裝置1自身之行動性、精簡化、低成本化。
又，根據藉由上述供給電力控制方法而經調整之無線電力傳送裝置1，為控制輸入阻抗Zin可將構成供電模組2及受電模組3之電路元件之各元件值(供電線圈21之R1、L1、C1、供電共振器22之R2、L2、C2、受電共振器32之R3、L3、C3、受電線圈31之R4、L4、C4等之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34)作為參數自由地設定。藉此，可提高無線電力傳送裝置1之設計自由度，從而可實現無線電力傳送裝置1自身之行動性、精簡化、低成本化。
(傳送特性具有單峰性及雙峰性之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍)
其次，對無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時(後述)、及具有雙峰性之性質之情形時(後述)之輸入阻抗Zin之可變範圍進行說明。此處，所謂傳送特性『S21』係表 示於網路分析儀110(於本實施形態中，使用安捷倫科技股份有限公司製之E5061B)連接無線電力傳送裝置1而測量之信號，以分貝表示，數值越大則表示電力傳送效率越高。
相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率的無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』，係根據供電模組2及受電模組3之間之磁場連接程度(磁場耦合)之強度，而分為具有單峰性之性質者與具有雙峰性之性質者。所謂該單峰性，係指相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之波峰為一個且此波峰於共振頻帶(f0)出現(參照圖4之虛線51)。另一方面，所謂雙峰性係指相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之波峰為兩個，且此兩個波峰於低於共振頻率之驅動頻帶(fL)與高於共振頻率之驅動頻帶(fH)出現(參照圖4之實線52)。若更詳細地定義雙峰性，則係指於上述網路分析儀110連接無線電力傳送裝置而測量之反射特性『S11』具有兩個波峰之狀態。因此，即便相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之波峰看似為一個，但測量之反射特性『S11』具有兩個波峰之情形時，亦為具有雙峰性之性質者。
於具有上述單峰性之性質之無線電力傳送裝置1中，如圖4之虛線51所示，驅動頻率在共振頻率f0時其傳送特性『S21』最大化(電力傳送效率最大化)。
另一方面，於具有雙峰性之性質之無線電力傳送裝置1中，如圖4之實線52所示，傳送特性『S21』係於低於共振頻率f0之驅動頻帶(fL)與高於共振頻率f0之驅動頻帶(fH)最大化。
再者，一般而言，若供電共振器與受電共振器之間之距離相同，則雙峰性之傳送特性『S21』之最大值(fL或fH之傳送特性『S21』之值)成比單峰性之傳送特性『S21』之最大值(在f0之傳送特性『S21』之值)更低的值(參照圖4之曲線)。因此，於以電力之傳送效率之最大化為目的之一般的無線電力傳送裝置中，係以無線電力傳送 裝置之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之方式設計(設定)，以驅動頻率為共振頻率f0且傳送特性『S21』最大化之方式使用。
具體而言，將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之低頻側之波峰附近之頻率fL之情形時(同相共振模式)，供電共振器22及受電共振器32為同相位且成為共振狀態，流向供電共振器22之電流之朝向與流向受電共振器32之電流之朝向成為相同朝向。其結果為，如圖4之曲線所示，雖然未達到以電力傳送效率之最大化為目的之一般的無線電力傳送裝置之傳送特性『S21』(虛線51)，但即便於使驅動頻率與供電模組2具備之供電共振器22及受電模組3具備之受電共振器32所具有之共振頻率不一致的情形時，亦可將傳送特性『S21』之值設為較高之值。此處，將流向供電模組2之線圈(供電共振器22)之電流之朝向與流向受電模組3之線圈(受電共振器32)之電流之朝向成為相同朝向的共振狀態稱為同相共振模式。
又，於上述同相共振模式下，產生於供電共振器22之外周側之磁場與產生於受電共振器32之外周側的磁場抵消，藉此於供電共振器22及受電共振器32之外周側，磁場所致之影響減小，從而可形成較供電共振器22及受電共振器32之外周側以外之磁場強度(例如，供電共振器22及受電共振器32之內周側之磁場強度)更小之磁場強度的磁場空間。而且，於該磁場空間收納有欲使磁場之影響減小之穩定電路7、充電電路8或充電電池9等之情形時，可減少或防止對於穩定電路7、充電電路8或充電電池9等發生由磁場引起之渦電流，從而能夠抑制發熱所致之負面影響。
另一方面，將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之高頻側之波峰附近之頻率fH的情形時(逆相共振模式)，供電共振器22及受電共振器32為逆相位且成為共振狀態，流向供電共振器22之電流之朝向與流向受電共振器32之電流之朝向成為相反朝向。其結 果為，如圖4之曲線所示，雖然未達到以電力傳送效率之最大化為目的之一般的無線電力傳送裝置之傳送特性『S21』(虛線51)，但即便於使驅動頻率與供電模組2具備之供電共振器22及受電模組3具備之受電共振器32所具備之共振頻率不一致的情形時，亦可使傳送特性『S21』之值成為較高之值。此處，將流向供電模組2之線圈(供電共振器22)之電流之朝向與流向受電模組3之線圈(受電共振器32)之電流之朝向成為相反朝向的共振狀態稱為逆相共振模式。
又，於上述逆相共振模式中，產生於供電共振器22之內周側之磁場與產生於受電共振器32之內周側之磁場抵消，藉此於供電共振器22及受電共振器32之內周側，磁場所致之影響減小，可形成具有比供電共振器22及受電共振器32之內周側以外之磁場強度(例如，供電共振器22及受電共振器32之外周側之磁場強度)小之磁場強度的磁場空間。而且，於該磁場空間收納有期望減小磁場影響之穩定電路7、充電電路8或充電電池9等之情形時，可減小或防止相對於穩定電路7、充電電路8或充電電池9等發生由磁場引起之渦電流，從而能夠抑制發熱所致之負面影響。又，藉由該逆相共振模式而形成之磁場空間係形成於供電共振器22及受電共振器32之內周側，故而藉由於該空間組入穩定電路7、充電電路8或充電電池9等電子零件而可提高無線電力傳送裝置1自身之精簡化、設計自由度。
(測定實驗1)
其次，基於上述概念及關係，對無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時與具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之可變範圍相關的測定實驗1進行說明。
(單峰性之測定)
首先，作為比較對象係測定無線電力傳送裝置1所具備之傳送特 性『S21』具有單峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin。具體而言，於無線電力傳送裝置1(圖3參照)中，如圖5所示，於供電線圈21連接網路分析儀110之輸出端子111，於受電線圈31連接網路分析儀110之輸入端子112，向供電模組2供給特定之驅動頻率之電力，藉由共振現象將電力作為磁場能量自供電共振器22供給至受電共振器32，藉此測定傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin。此時，將供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23固定為48mm，改變供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、及受電線圈31與受電共振器32之間之距離d34而進行測定。又，傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin係於傳送特性『S21』之值成為波峰(最大)之共振頻率配合驅動頻率而測定。
此處，如上述般，無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』係可藉由改變供電模組2及受電模組3之間之磁場所致之連接程度(磁場耦合)之強度，而成為具有單峰性之性質者或具有雙峰性之性質者。於本實施例中，為改變該磁場耦合，係藉由固定供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23，然後對供電模組2之供電線圈21與供電共振器22之距離d12、及受電模組3之受電線圈31與受電共振器32之距離d34之組合進行各種變更。而且，於將供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23固定為48mm之情形時，若將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、及受電線圈31與受電共振器32之間之距離d34設為4mm以下之值則傳送特性『S21』具有單峰性之性質，另一方面，若將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、及受電線圈31與受電共振器32之間之距離d34設為大於4mm之值則傳送特性『S21』具有雙峰性之性質。
再者，作為改變供電模組2及受電模組3之間之磁場所致之連接程度(磁場耦合)之強度之手段，除此之外可列舉改變供給至供電模組 2之電量、改變供電共振器22及受電共振器32之各元件(電容器、線圈)之電容或電感、或改變供給至供電模組2之電力之頻率等方法。
圖6表示單峰性之情形時之測定結果。根據圖6之測定結果，若列舉傳送特性『S21』具有單峰性之性質且傳送特性『S21』之值可獲得-3dB以上之值之距離d12及距離d34之距離的主要組合，則相符的有比較例2~6。而且，可知若觀察可獲得比較例2~6之輸入阻抗Zin，則為66.6(比較例6)~186.1Ω(比較例2)之範圍。即，意味著於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為66.6~186.1Ω之範圍。再者，上述以傳送特性『S21』之值為-3dB以上之值作為條件，係由於若未達-3dB則無線電力傳送裝置之送電效率明顯下降。因此，將傳送特性『S21』之值設為-3dB係設計事項且係可根據使用形態而變更之值。
(雙峰性之測定)
其次，作為本實施例，測定無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin。作為測定方法，係與上述單峰性之測定方法之情形相同。其中，將供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23固定為48mm，對供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、及受電線圈31與受電共振器32之間之距離d34之組合進行各種變更而測定。其中，如具有雙峰性之性質般，以距離d12及距離d34獲得大於4mm之值之方式進行改變。又，傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin係於傳送特性『S21』之值成為波峰(最大)之低頻側之頻率fL(同相共振模式)及高頻側之頻率fH(逆相共振模式)配合驅動頻率，而測定低頻側之頻率fL(同相共振模式)及高頻側之頻率fH(逆相共振模式)之傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin。
圖7表示雙峰性之情形時之測定結果。根據圖7之測定結果，若列舉傳送特性『S21』具有雙峰性之性質且傳送特性『S21』之值可獲得-3dB以上之值之距離d12及距離d34之距離的主要組合，則相符的有實施例1~4、6、7之低頻側之頻率fL(同相共振模式)、及實施例1、2、6、7之高頻側之頻率fH(逆相共振模式)。而且，可知若觀察可獲得實施例1~4、6、7之低頻側之頻率fL(同相共振模式)、及實施例1、2、6、7之高頻側之頻率fH(逆相共振模式)之輸入阻抗Zin的範圍，則為12.98(實施例6之fH)~149.81Ω(實施例7之fL)之範圍。即，意味著於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為12.98~149.81Ω之範圍。
根據上述測定結果，於傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為66.6~186.1Ω之範圍(可變範圍)。另一方面，於傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為12.98~149.81Ω之範圍(可變範圍)。藉此，可知以傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之方式設定之無線電力傳送裝置1相比於以傳送特性『S21』具有單峰性之性質之方式設定的無線電力傳送裝置1，可擴大輸入阻抗Zin之可變範圍。
(設定為特定之傳送特性『S21』之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍)
其次，於上述無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性及雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin測定中，測定設定為特定之傳送特性『S21』之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍。再者，於本比較例、實施例中，作為特定之傳送特性『S21』若例示性地設為-2.2dB之情形，則針對設為-2.8dB之情形 進行測定。
(將特定之傳送特性『S21』設為-2.2dB之情形時)
首先，若列舉表示傳送特性『S21』約-2.2dB之值之距離d12及距離d34之組合，就單峰性而言如圖6所示列舉比較例3，就雙峰性而言如圖8(A)所示列舉實施例8~12。
於比較例3中，於d12=1mm、d23=48mm、d34=1mm之情形時，S21為-2.25dB而表示160.9Ω。而且，就單峰性而言，除了比較例3以外，還有表示傳送特性『S21』約-2.2dB之值之距離d12及距離d34之組合，於此情形時輸入阻抗Zin表示大致相同之值。即，可知於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』時(本比較例中設定為約-2.2dB)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin大致決定為約160.9Ω。
另一方面，如圖8(A)所示，於實施例8中，同相共振模式(fL)下d12=5mm、d23=48mm、d34=18mm之情形時，S21為-2.08dB而表示129.79Ω。又，於實施例9中，同相共振模式(fL)下d12=10mm、d23=48mm、d34=22mm之情形時，S21為-2.25dB而表示94.30Ω。又，於實施例10中，同相共振模式(fL)下d12=25mm、d23=48mm、d34=25mm之情形時，S21為-2.46dB而表示33.30Ω。又，於實施例11中，同相共振模式(fL)下d12=24mm、d23=48mm、d34=10mm之情形時，S21為-2.26dB而表示16.47Ω。又，於實施例12中，同相共振模式(fL)下d12=20mm、d23=48mm、d34=5mm之情形時，S21為-2.20dB而表示15.51Ω。如此，可知於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』時(於本實施例中，設定為約-2.2dB)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin可獲得15.51(實施例12)~129.79Ω(實施例8)之範圍。
(將特定之傳送特性『S21』設為-2.8dB之情形時)
首先，若列舉表示傳送特性『S21』為約-2.8dB之值之距離d12及距離d34之組合，就單峰性而言如圖6所示列舉比較例2，就雙峰性而言如圖8(B)所示列舉實施例13~17。
於比較例2中，於d12=1mm、d23=48mm、d34=0mm之情形時，S21為-2.74dB而表示186.1Ω。而且，就單峰性而言，除了比較例2以外，還有表示傳送特性『S21』約-2.8dB之值之距離d12及距離d34之組合，於此情形時，輸入阻抗Zin表示大致相同之值。即，可知於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』時(本比較例中設定為約-2.8dB)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin大致決定為約186.1Ω。
另一方面，如圖8(B)所示，於實施例13中，逆相共振模式(fH)下d12=5mm、d23=48mm、d34=25mm之情形時，S21為-2.93dB而表示129.38Ω。又，於實施例14中，逆相共振模式(fH)下d12=10mm、d23=48mm、d34=25mm之情形時，S21為-2.96dB而表示72.66Ω。又，於實施例15中，逆相共振模式(fH)下d12=15mm、d23=48mm、d34=22mm之情形時，S21為-2.58dB而表示39.70Ω。又，於實施例16中，逆相共振模式(fH)下d12=20mm、d23=48mm、d34=10mm之情形時，S21為-2.83dB而表示14.65Ω。又，於實施例17中，逆相共振模式(fH)下d12=20mm、d23=48mm、d34=5mm之情形時，S21為-2.77dB而表示12.98Ω。如此，可知於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』時(於本實施例中，設定為約-2.8dB)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin可獲得12.98(實施例17)~129.38Ω(實施例13)之範圍。
根據上述測定結果，可知於將傳送特性『S21』之值設定為特定 值之情形時，以傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之方式設定之無線電力傳送裝置1相比於以傳送特性『S21』具有單峰性之性質之方式設定的無線電力傳送裝置1，可擴大輸入阻抗Zin之可變範圍。
(測定實驗2)
於上述測定實驗1中，係對圖3所示之電路構成之無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時與具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之可變範圍相關的測定實驗1進行說明，但於本測定實驗2中，如圖9所示，係使用改變無線電力傳送裝置1之電路構成而得之無線電力傳送裝置101進行測定。具體而言，如圖9所示，無線電力傳送裝置101具備自無線電力傳送裝置1中之供電線圈21除去電容器C1後之供電線圈121、及自無線電力傳送裝置1之受電線圈31除去電容器C4之受電線圈131，其他構成與無線電力傳送裝置1相同。
(測定實驗2)
對無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時及具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置101之輸入阻抗Zin之可變範圍相關的測定實驗2進行說明。
(單峰性之測定)
首先，與測定實驗1同樣地，作為比較對象而測定無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置101之輸入阻抗Zin。具體而言，於無線電力傳送裝置101(參照圖9)中，於供電線圈121連接網路分析儀110之輸出端子111，於受電線圈131連接網路分析儀110之輸入端子112，向供電模組2供給特定之驅動頻率之電力，利用共振現象將電力作為磁場能量而自供電共振器22供給至受電共振器32，藉此測定傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin。此時，將供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23固定為 48mm，改變供電線圈121與供電共振器22之間之距離d12、及受電線圈131與受電共振器32之間之距離d34而進行測定。又，傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin係於傳送特性『S21』之值成為波峰(最大)之共振頻率配合驅動頻率而測定。
圖10表示單峰性之情形時之測定結果。根據圖10之測定結果，若列舉傳送特性『S21』具有單峰性之性質且傳送特性『S21』之值可獲得-3dB以上之值之距離d12及距離d34之距離的主要組合，則相符的有比較例2~6。而且，可知若觀察可獲得比較例2~6之輸入阻抗Zin之範圍，則為68.9(比較例6)~180.7Ω(比較例2)之範圍。即，意味著於無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為68.9~180.7Ω之範圍。
(雙峰性之測定)
其次，作為本實施例，測定無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置101之輸入阻抗Zin。作為測定方法，係與上述單峰性之測定方法之情形相同。其中，將供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23固定為48mm，對供電線圈121與供電共振器22之間之距離d12、及受電線圈131與受電共振器32之間之距離d34之組合進行各種變更而測定。其中，如具有雙峰性之性質般，以距離d12及距離d34獲得大於4mm之值之方式進行變更。又，傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin係於傳送特性『S21』之值成為波峰(最大)之低頻側之頻率fL(同相共振模式)及高頻側之頻率fH(逆相共振模式)配合驅動頻率，而測定低頻側之頻率fL(同相共振模式)及高頻側之頻率fH(逆相共振模式)之傳送特性『S21』及輸入阻抗Zin。
圖11表示雙峰性之情形時之測定結果。根據圖11之測定結果，若 列舉傳送特性『S21』具有雙峰性之性質且傳送特性『S21』之值可獲得-3dB以上之值之距離d12及距離d34之距離的主要組合，則相符的有實施例1~4、6~8之低頻側之頻率fL(同相共振模式)、及實施例1、2、7、8之高頻側之頻率fH(逆相共振模式)。而且，可知若觀察可獲得實施例1~4、6~8之低頻側之頻率fL(同相共振模式)、及實施例1、2、7、8之高頻側之頻率fH(逆相共振模式)之輸入阻抗Zin的範圍，則為19.47(實施例7之fH)~182.30Ω(實施例8之fL)之範圍。即，意味著於無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為19.47~182.30Ω之範圍。
根據上述測定結果，於傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為68.9~180.7Ω之範圍(可變範圍)。另一方面，於傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，若將傳送特性『S21』之值設為-3dB以上之值，則可將輸入阻抗Zin之值調整為19.47~182.30Ω之範圍(可變範圍)。藉此，可知以傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之方式設定之無線電力傳送裝置101相比於以傳送特性『S21』具有單峰性之性質之方式設定之無線電力傳送裝置101，可擴大輸入阻抗Zin之可變範圍。
(設定為特定之傳送特性『S21』之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍)
其次，上述無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有單峰性及雙峰性之性質之情形時之無線電力傳送裝置101之輸入阻抗Zin測定中，測定設定為特定之傳送特性『S21』之情形時之輸入阻抗Zin之可變範圍。再者，於本比較例、實施例中，作為特定之傳送特性『S21』係針對例示性設為-2.0dB之情形、與設為-2.7dB之情形進行測定。
(將特定之傳送特性『S21』設為-2.0dB之情形時)
首先，若列舉表示傳送特性『S21』為約-2.0dB之值之距離d12及距離d34之組合，就單峰性而言如圖10所示列舉比較例3，就雙峰性而言如圖12(A)所示列舉實施例9~15。
於比較例3中，於d12=2mm、d23=48mm、d34=2mm之情形時，S21為-1.90dB而表示134.0Ω。而且，就單峰性而言，除了比較例3以外，還有表示傳送特性『S21』約-2.0dB之值之距離d12及距離d34之組合，於此情形時，輸入阻抗Zin表示大致相同之值。即，可知於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』之情形時(於本比較例中，設定為約-2.0dB)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin大致決定為約134.0Ω。
另一方面，如圖12(A)所示，於實施例9中，同相共振模式(fL)下d12=5mm、d23=48mm、d34=19mm之情形時，S21為-2.09dB而表示167.52Ω。又，於實施例10中，同相共振模式(fL)下d12=10mm、d23=48mm、d34=20mm之情形時，S21為-2.01dB而表示107.95Ω。又，於實施例11中，同相共振模式(fL)下d12=15mm、d23=48mm、d34=20mm之情形時，S21為-1.95dB而表示76.62Ω。又，於實施例12中，同相共振模式(fL)下d12=20mm、d23=48mm、d34=20mm之情形時，S21為-2.11dB而表示55.59Ω。又，於實施例13中，同相共振模式(fL)下d12=22mm、d23=48mm、d34=15mm之情形時，S21為-2.00dB而表示44.96Ω。又，於實施例14中，同相共振模式(fL)下d12=22mm、d23=48mm、d34=10mm之情形時，S21為-2.00dB而表示40.05Ω。又，於實施例15中，同相共振模式(fL)下d12=20mm、d23=48mm、d34=5mm之情形時，S21為-1.96dB而表示38.50Ω。如此，可知於無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性 『S21』具有雙峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』之情形時(於本實施例中，設定為約-2.0dB)之無線電力傳送裝置101之輸入阻抗Zin可獲得38.50(實施例15)~167.52Ω(實施例9)之範圍。
(將特定之傳送特性『S21』設為-2.7dB之情形時)
首先，若列舉表示傳送特性『S21』為約-2.7dB之值之距離d12及距離d34之組合，就單峰性而言如圖10所示列舉比較例2，就雙峰性而言如圖12(B)所示列舉實施例16~20。
於比較例2中，於d12=0mm、d23=48mm、d34=2mm之情形時，S21為-2.70dB而表示180.7Ω。而且，就單峰性而言，除了比較例2以外，還有表示傳送特性『S21』約-2.7dB之值之距離d12及距離d34之組合，於此情形時，輸入阻抗Zin表示大致相同之值。即，可知於無線電力傳送裝置1所具備之傳送特性『S21』具有單峰性之性質之情形時，設定為特定之傳送特性『S21』之情形時(於本比較例中，設定為約-2.7dB)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin大致決定為約180.7Ω。
另一方面，如圖12(B)所示，於實施例16中，逆相共振模式(fH)下d12=5mm、d23=48mm、d34=19mm之情形時，S21為-2.69dB而表示102.14Ω。又，於實施例17中，逆相共振模式(fH)下d12=10mm、d23=48mm、d34=20mm之情形時，S21為-2.65dB而表示59.29Ω。又，於實施例18中，逆相共振模式(fH)下d12=15mm、d23=48mm、d34=20mm之情形時，S21為-2.90dB而表示42.35Ω。又，於實施例19中，逆相共振模式(fH)下d12=16mm、d23=48mm、d34=15mm之情形時，S21為-2.66dB而表示24.34Ω。又，於實施例20中，逆相共振模式(fH)下d12=15mm、d23=48mm、d34=5mm之情形時，S21為-2.72dB而表示19.47Ω。如此，可知於無線電力傳送裝置101所具備之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，設定為 特定之傳送特性『S21』之情形時(於本實施例中，設定為約-2.7dB)之無線電力傳送裝置101之輸入阻抗Zin可獲得19.47(實施例20)~102.14Ω(實施例16)之範圍。
根據上述測定結果，可知於將傳送特性『S21』之值設定為特定值之情形時，以傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之方式設定之無線電力傳送裝置101相比於以傳送特性『S21』具有單峰性之性質之方式設定之無線電力傳送裝置101，可擴大輸入阻抗Zin之可變範圍。
根據上述測定實驗1及測定實驗2，使相對於供給至供電模組2之電力之驅動頻率之傳送特性之值，於低於共振頻率(f0)之驅動頻帶(fL)及高於共振頻率(f0)之驅動頻帶(fH)分別具有波峰之(雙峰性)無線電力傳送裝置，相比於相對於供給至供電模組2之電力之驅動頻率之傳送特性『S21』之值之波峰在共振頻帶(f0)出現一次之(單峰性)無線電力傳送裝置，可擴大輸入阻抗Zin之可變範圍。而且，能夠擴大輸入阻抗Zin之可變範圍，將構成供電模組2及受電模組3之複數之電路元件之各元件值、及互感作為參數，與具有單峰性之性質之設定相比，可大範圍地進行設定，可提高無線電力傳送裝置之設計自由度，從而能夠實現無線電力傳送裝置自身之行動性、精簡化、低成本化。
又，根據上述方法，將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定於與於低於共振頻率之驅動頻帶(fL)之傳送特性『S21』之峰值相對應的帶域，藉此，無論於傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，還是傳送特性『S21』具有單峰性之性質時雖然在驅動頻率配合共振頻率方面有不足，但能夠在某種程度上確保較高之傳送特性『S21』。又，產生於供電模組2之外周側之磁場與產生於受電模組3之外周側之磁場抵消，藉此，於供電模組2及受電模組3之外周側，磁場所致之影響減小，可形成具有比供電模組2及受電模組3之外周側以外之磁場強度小之磁場強度的磁場空間。藉此，於所形成之磁場空間內 儲存不期望受到磁場影響之電路(穩定電路7、充電電路8、充電電池9等)等，藉此可有效活用空間，從而能夠實現無線電力傳送裝置1自身之小型化。
又，根據上述方法，將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定於與於高於共振頻率之驅動頻帶(fH)出現之傳送特性『S21』之峰值相對應的帶域，藉此，無論是傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之情形時，還是傳送特性『S21』具有單峰性之性質時雖然在驅動頻率配合共振頻率方面有不足，但能夠在某種程度上確保較高之傳送特性『S21』。又，產生於供電模組2之內周側之磁場與產生於受電模組3之內周側之磁場抵消，藉此，於供電模組2及受電模組3之內周側，磁場所致之影響減小，可形成具有比供電模組2及受電模組3之內周側以外之磁場強度小之磁場強度的磁場空間。藉此，於所形成之磁場空間內儲存不期望受到磁場影響之電路(穩定電路7、充電電路8、充電電池9等)等，藉此可有效活用空間，從而能夠實現無線電力傳送裝置1自身之小型化。
(製造方法)
其次，針對製造無線電力傳送裝置1之一步驟即設計方法(設計步驟)，參照圖13及圖14而進行說明。於本說明中，作為搭載無線電力傳送裝置1之行動機器係以具備耳機揚聲器部201a之無線式頭戴型耳機200、及充電器201為例而進行說明(參照圖13)。
藉由本設計方法設計之無線電力傳送裝置1於圖13所示之無線式頭戴型耳機200及充電器201中，係分別作為受電模組3(受電線圈31、受電共振器32)及供電模組2(供電線圈21、供電共振器22)而搭載。又，於圖13中，為便於說明，係將穩定電路7、充電電路8及充電電池9記載於受電模組3之外，但實際上係配置於螺線管狀之受電線圈31及受電共振器32之線圈內周側。即，以於無線式頭戴型耳機200搭載受 電模組3、穩定電路7、充電電路8及充電電池9、於充電器201搭載供電模組2、於供電模組2之供電線圈21連接交流電源6之狀態進行使用。
(設計方法)
首先，如圖14所示，根據充電電池9之電容、及充電電池9之充電所需之充電電流，決定受電模組3接收之受電電量(S1)。
其次，決定供電模組2與受電模組3之間之距離(S2)。該距離係將內置有受電模組3之無線式頭戴型耳機200載置於內置有供電模組2之充電器201時之供電模組2與受電模組3之間的距離，使用形態為充電中之狀態。具體而言，供電模組2與受電模組3之間之距離係考慮無線式頭戴型耳機200與充電器201之形狀、構造而決定。
又，根據無線式頭戴型耳機200之大小、形狀、構造，決定受電模組3之受電線圈31及受電共振器32之線圈徑(S3)。
又，根據充電器201之大小、形狀、構造，決定供電模組2之供電線圈21及供電共振器22之線圈徑(S4)。
經過上述S2~S4之順序，將無線電力傳送裝置1之供電共振器22(線圈L2)與受電共振器32(線圈L3)之間之耦合係數設為k23，決定電力傳送效率。
根據由上述S1決定之受電模組3接收之受電電量、及經過S2~S4之順序所決定之電力傳送效率，而決定向供電模組2供電之必要最低限度之供電電量(S5)。
而且，根據上述受電模組3接收之受電電量、電力傳送效率、及向供電模組2供電之必要最低限度之供電電量，決定無線電力傳送裝置1中之輸入阻抗Zin之設計值(S6)。
而且，將由S6決定之輸入阻抗Zin之設計值應用於上述(式3)，以滿足該(式3)之方式，將作為電路元件之供電線圈21之RLC電路之R1、 L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k34作為參數進行調整而決定(S7)。
根據上述製造方法，為控制輸入阻抗Zin，將構成供電模組2及受電模組3之電路元件之各元件值作為參數自由地設定，可提高無線電力傳送裝置1之設計自由度，從而可製造行動性、精簡化、低成本化優異之無線電力傳送裝置1。
(其他實施形態)
於上述製造方法之說明中，係例示無線式頭戴型耳機200而進行說明，但只要為具備充電電池之機器，則亦可使用於平板型PC、數位攝像機、行動電話、耳機型音樂播放器、助聽器、集音器等。
又，於上述說明中，係例示藉由利用供電模組2及受電模組3具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁場共振態)使磁場耦合而進行電力傳送之無線電力傳送裝置1進行說明，但亦可應用於利用線圈間之電磁感應而進行電力傳送之無線電力傳送裝置1。
以上之詳細說明中，為了更容易理解本發明，而以特徵部分為中心進行說明，但本發明並不限定於以上之詳細說明所記載之實施形態、實施例，亦可應用於其他實施形態、實施例，應儘可能廣地理解其應用範圍。又，本說明書中使用之用語及語法係用於準確地對本發明進行說明者，而非限制本發明之解釋者。又，本領域技術人員可根據本說明書所記載之發明之概念而容易地推想出包含於本發明之概念之其他構成、系統、方法等。因此，申請專利範圍之記載應理解為於不脫離本發明之技術思想之範圍內包含均等構成者。又，為充分理解本發明之目的及本發明之效果，較理想為充分參考業已公開之文獻等。
1‧‧‧無線電力傳送裝置
2‧‧‧供電模組
3‧‧‧受電模組
6‧‧‧交流電源
7‧‧‧穩定電路
8‧‧‧充電電路
9‧‧‧充電電池
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
C1~C4‧‧‧電容器
L1~L4‧‧‧線圈
M12‧‧‧線圈L1與L2之間之互感
M23‧‧‧線圈L2與L3之間之互感
M34‧‧‧線圈L3與L4之間之互感
R1~R4‧‧‧電阻器

Claims (7)

  1. 一種無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置係自具備供電線圈及供電共振器之至少一者之供電模組對具備受電共振器及受電線圈之至少一者之受電模組使磁場改變而供給電力，供給至上述供電模組之電力之驅動頻率係以不會成為上述供電模組及上述受電模組中之共振頻率之值供給，將構成上述供電模組及上述受電模組之複數個電路元件之各元件值作為參數，並分別改變該參數，藉此設定該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。
  2. 如請求項1之無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其中該無線電力傳送裝置係藉由共振現象而自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對至少具備受電共振器及受電線圈之受電模組供給電力，該供給電力控制方法係供給至上述供電模組之電力之驅動頻率以不會成為上述供電模組及受電模組中之共振頻率之值供給，將構成上述供電線圈之包含線圈L1之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z1、將構成上述供電共振器之包含線圈L2之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z2、將構成上述受電共振器之包含線圈L3之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z3、將構成上述受電線圈之包含線圈L4之各電路元件所具有之合計之阻抗設為Z4、將自上述受電線圈供電之機器之合計之負荷阻抗設為Z1、 將上述供電線圈之線圈L1與上述供電共振器之線圈L2之間之互感設為M12、將上述供電共振器之線圈L2與上述受電共振器之線圈L3之間之互感設為M23、將上述受電共振器之線圈L3與上述受電線圈之線圈L4之間之互感設為M34，將構成上述供電線圈、上述供電共振器、上述受電共振器、及上述受電線圈之複數個電路元件之各元件值、及上述互感作為參數，並分別改變該參數，藉此控制由下述關係式導出之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin而調整所供給之電力。
  3. 如請求項2之無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其中將構成上述供電模組及上述受電模組之複數個電路元件之各元件值、及上述互感作為參數，並分別改變該參數，藉此將相對於供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率之傳送特性之值，以於低於上述共振頻率之驅動頻帶及高於上述共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰的方式設定。
  4. 如請求項3之無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其中供給 至上述供電模組之電力之驅動頻率係與於低於上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域。
  5. 如請求項3之無線電力傳送裝置之供給電力控制方法，其中供給至上述供電模組之電力之驅動頻率係與於高於上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域。
  6. 一種無線電力傳送裝置，其特徵在於，其藉由如請求項1至5中任一項之供給電力控制方法而經調整。
  7. 一種無線電力傳送裝置之製造方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置自具備供電線圈及供電共振器之至少一者之供電模組對具備受電共振器及受電線圈之至少一者之受電模組供給之電力的驅動頻率，係以不會成為上述供電模組及受電模組中之共振頻率之值供給，且使磁場改變而供給電力，該製造方法包含如下設計步驟：將構成上述供電模組及上述受電模組之複數個電路元件之各元件值作為參數，並分別改變該參數，藉此控制該無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin，而調整該無線電力傳送裝置所能供給之電力。
TW102143084A 2013-02-12 2013-11-26 無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之供給電力控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法 TW201433040A (zh)

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