TW201532362A - 無線電力傳送裝置及其製造方法 - Google Patents

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TW201532362A
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TW104101239A
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Hisashi Tsuda
Takezo Hatanaka
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Nitto Denko Corp
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Abstract

本發明提供一種無線電力傳送裝置，其於供電共振器及受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值具有兩個波峰頻帶，將供給至供電模組之電力之電源頻率設定為與傳送特性『S21』之兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻帶，且設定為，於被供電機器之負載變動範圍之最高值中，至少相對於電力之電源頻率之包含被供電機器之無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。

Description

無線電力傳送裝置及其製造方法
本發明係關於一種自供電模組對受電模組使磁場變化而供給電力之無線電力傳送裝置及該無線電力傳送裝置之製造方法。
近年來，筆記型PC(pesonal computer，個人電腦)、平板型PC、數位相機、行動電話、掌上型遊戲機、耳機型音樂播放器、無線式耳機、助聽器、及記錄器等人們可隨身攜帶使用之攜帶型電子機器正在迅速普及。而且，該等攜帶型電子機器多數搭載有充電電池，需要定期進行充電。為使對搭載於該電子機器之充電電池之充電作業變得簡易，藉由於搭載於充電器之供電模組與搭載於電子機器之受電模組之間利用無線電力傳送的供電技術(使磁場變化而進行電力傳送之無線電力傳送技術)而對充電電池進行充電之機器不斷增多。
例如，作為無線電力傳送技術，列舉有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)、或者藉由利用供電模組及受電模組所具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁場共鳴狀態)使磁場耦合而進行電力傳送之技術(例如，參照專利文獻2)。
又，關於對充電電池(例如鋰離子二次電池等)充電之方式，已知恆流恆壓充電方式。又，利用上述基於無線進行電力傳送之無線電力傳送裝置以恆流恆壓充電方式對鋰離子二次電池充電時，自恆定電流充電(CC)轉換為恆定電壓充電(CV)時，供給至充電電池之電流值衰減，包含充電電池之被供電機器(包含充電電池、穩定電路、充電電 路等)之負載阻抗之值上昇(負載變動)。
如此，包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗亦產生變動，若可根據被供電機器之負載阻抗值之上昇，使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗上昇，則可根據被供電機器之負載阻抗之上昇，減小包含被供電機器之無線電力傳送裝置之輸入電流，從而可減少包含被供電機器之無線電力傳送裝置之消耗電力。
因而，為根據被供電機器之負載阻抗值之上昇使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗上昇，考慮個別設置阻抗整合器。
[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]日本特開2013-239692號公報
然而，對謀求行動性、簡單化、低成本化之行動電子機器而言，個別設置阻抗整合器會導致零件數增加，故而並不理想。
換言之，期望無需對無線電力傳送裝置追加新的機器，便可根據被供電機器之負載阻抗值之上昇，使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗上昇。
因此，本發明之目的在於提供一種無線電力傳送裝置及其製造方法，該無線電力傳送裝置無需追加新的機器，即可於被供電機器之負載產生變動時，根據被供電機器之負載變動傾向，使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗之值變動。
用於解決上述問題之發明之一係一種無線電力傳送裝置，其特 徵在於，其自至少具備供電共振器之供電模組對連接有負載變動之被供電機器且至少具備受電共振器之受電模組使磁場變化而供給電力；上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且將供給至上述供電模組之電力之電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻段；且設定為，於上述被供電機器之負載變動範圍之最高值中，至少相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
根據上述構成，當被供電機器之負載變動時，可根據被供電機器之負載變動傾向，使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗之值變動。例如，當被供電機器之負載上昇時，可使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗之值上昇。藉此，當被供電機器之負載上昇時，可減小包含被供電機器之無線電力傳送裝置之輸入電流，從而可降低被供電機器之負載上昇時之消耗電力。
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，其特徵在於設定為，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，並分別變更該等參數，藉此上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
根據上述構成，可設定為，藉由相互調整構成供電模組及受電模組之複數個電路元件之各元件值，使供電共振器及受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
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，其特徵在於設定為，藉由調整上述供電模組及上述受電模組所具有之線圈間之耦合係數之值，上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
根據上述構成，可設定為，藉由變更供電模組及受電模組所具有之線圈間之耦合係數之值，使供電共振器及受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
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，其特徵在於，上述供電模組及上述受電模組所具有之線圈間之耦合係數之值係藉由使上述線圈間之距離變化而進行調整。
根據上述構成，可藉由使線圈間之距離變化而調整供電模組及受電模組所具有之線圈間之耦合係數之值。藉此，可藉由物理變化這一簡易設計，調整線圈間之距離。
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，其特徵在於，將供給至上述供電模組之電力之電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻段。
根據上述構成，藉由將供給至供電模組之電力之電源頻率設定為與傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻段，供電共振器與受電共振器之間可形成具有較附近磁場強度小之磁場強度之磁場空間。
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，其特徵在於，將供給至上述供電模組之電力之電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於低頻側之波峰頻帶對應之頻段。
根據上述構成，藉由將供給至供電模組之電力之電源頻率設定為與傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於低頻側之波峰頻帶對應之頻段，可於供電共振器及受電共振器之外側，形成具有較附近磁場強度小之磁場強度之磁場空間。
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製造方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置係自至少具備供電共振器之供電模組對連接有負載變動之被供電機器且至少具備受電共振器之受電模組使磁場變化而供給電力；該製造方法包含以下步驟：設定為上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶；及設定為於上述被供電機器之負載變動範圍之最高值中，至少相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
根據藉由上述方法製造之無線電力傳送裝置，當被供電機器之負載變動時，可根據被供電機器之負載變動傾向，使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗之值變動。例如，當被供電機器之負載上昇時，可使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗之值上昇。藉此，當被供電機器之負載上昇時，可減小包含被供電機器之無線電力傳送裝置之輸入電流，從而可減少被供電機器負載上昇時之消耗電力。
本發明可提供一種無線電力傳送裝置及其製造方法，該無線電力傳送裝置無需追加新的機器，即可於被供電機器之負載變動時，根 據被供電機器之負載變動傾向，使包含被供電機器之無線電力傳送裝置全體之輸入阻抗之值變動。
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‧‧‧鋰離子二次電池
10‧‧‧被供電機器
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
22A‧‧‧電流之方向
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
32A‧‧‧電流之方向
101‧‧‧充電器
102‧‧‧無線式耳機
102a‧‧‧耳掛式揚聲器部
110‧‧‧網路分析儀
111‧‧‧輸出端子
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
d12‧‧‧距離
d23‧‧‧距離
d34‧‧‧距離
G1‧‧‧磁場空間
G2‧‧‧磁場空間
K12‧‧‧耦合係數
K23‧‧‧耦合係數
K34‧‧‧耦合係數
I1‧‧‧電流
I2‧‧‧電流
I3‧‧‧電流
I4‧‧‧電流
Ich‧‧‧電流
Iin‧‧‧電流
L1‧‧‧線圈
L2‧‧‧線圈
L3‧‧‧線圈
L4‧‧‧線圈
M12‧‧‧互感
M23‧‧‧互感
M34‧‧‧互感
RL‧‧‧負載
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
Vin‧‧‧電壓
Zin‧‧‧輸入阻抗
Z1‧‧‧總阻抗
Z2‧‧‧總阻抗
Z3‧‧‧總阻抗
Z4‧‧‧總阻抗
圖1係搭載本實施形態之無線電力傳送裝置之充電器及無線式耳機之說明圖。
圖2係無線電力傳送裝置之概略說明圖。
圖3係無線電力傳送裝置之等效電路之說明圖。
圖4係共振器間之傳送特性『S21』具有兩個波峰時之說明圖。
圖5係連接於網路分析儀之無線電力傳送裝置之說明圖。
圖6係反相共振模式之磁場向量圖。
圖7係同相共振模式之磁場向量圖。
圖8A係顯示鋰離子二次電池之充電特性之圖表。
圖8B係顯示鋰離子二次電池之充電特性之圖表。
圖9係顯示無線電力傳送中之線圈間距離與耦合係數之關係之圖表。
圖10A係顯示實施例1之測定結果者，且為S21測定結果之圖表。
圖10B係顯示實施例1之測定結果者，且為相對於電源頻率之輸入阻抗之圖表。
圖10C係顯示實施例1之測定結果者，且為顯示終端負載之傾向之說明圖。
圖11A係顯示實施例2之測定結果者，且為S21測定結果之圖表。
圖11B係顯示實施例2之測定結果者，且為相對於電源頻率之輸入阻抗之圖表。
圖11C係顯示實施例2之測定結果者，且為顯示終端負載之傾向之說明圖。
圖12A係顯示實施例3之測定結果者，且為S21測定結果之圖表。
圖12B係顯示實施例3之測定結果者，且為相對於電源頻率之輸入阻抗之圖表。
圖12C係顯示實施例3之測定結果者，且為顯示終端負載之傾向之說明圖。
圖13A係顯示實施例4之測定結果者，且為S21測定結果之圖表。
圖13B係顯示實施例4之測定結果者，且為相對於電源頻率之輸入阻抗之圖表。
圖13C係顯示實施例4之測定結果者，且為顯示終端負載之傾向之說明圖。
圖14A係顯示比較例之測定結果者，且為S21測定結果之圖表。
圖14B係顯示比較例之測定結果者，且為相對於電源頻率之輸入阻抗之圖表。
圖14C係顯示比較例之測定結果者，且為顯示終端負載之傾向之說明圖。
圖15係說明包含無線電力傳送裝置之無線式耳機及充電器之設計方法之流程圖。
(實施形態)
以下，對本發明之無線電力傳送裝置及無線電力傳送裝置之製造方法之實施形態進行說明。
本實施形態中，以搭載有供電模組2之充電器101及搭載有受電模組3之無線式耳機102為例，對無線電力傳送裝置1進行說明，如圖1所示，該無線電力傳送裝置1係將形成具有較周邊磁場強度小之磁場強度之磁場空間G1(G2)之具備供電共振器22之供電模組2及具備受電共振器32之受電模組3作為主要構成要件。再者，圖1顯示充電時之充電器101及無線式耳機102之狀態。
(充電器101及無線式耳機102之構成)
如圖1所示，充電器101具備供電模組2，該供電模組2具有供電線圈21及供電共振器22。又，無線式耳機102具備受電模組3，該受電模組3具有耳掛式揚聲器部102a、受電線圈31及受電共振器32。而且，供電模組2之供電線圈21連接有交流電源6，其具備將供給至供電模組2之電力之電源頻率設為特定值之振盪電路。又，於受電模組3之受電線圈31經由將所接收之交流電流整流化之穩定電路7及用於防止過量充電之充電電路8而連接有鋰離子二次電池9。又，穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9配置成位於受電共振器32之內周側(再者，圖式中有根據說明而將穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9圖示於受電共振器32外之情形)。雖詳細內容於後敍述，但於配置有該等穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9之受電共振器32之內周側，充電時形成有具有較周邊磁場強度小之磁場強度之磁場空間G1。再者，如圖1及圖2所示，本實施形態之穩定電路7、充電電路8及二次電池9係成為最終之電力供給對象之被供電機器10，被供電機器10係對連接於受電模組3之電力供給對象之所有機器的總稱。
又，雖未圖示，但於充電器101設置有用於收納無線式耳機102且按照無線式耳機102之形狀形成之收納槽，藉由將無線式耳機102收納至該充電器101之收納槽，可以充電器101所具備之供電模組2與無線式耳機102所具備之受電模組3成為對向配置之方式對無線式耳機102進行定位。
供電線圈21發揮藉由電磁感應將自交流電源6獲得之電力供給至供電共振器22之作用。如圖3所示，該供電線圈21構成將電阻器R1及線圈L1作為要件之RL電路。又，使用螺線管線圈作為線圈L1部分。又，將構成供電線圈21之電路元件所具有之總阻抗設為Z1，本實施形態中，係將以構成供電線圈21之電阻器R1及線圈L1作為要件之RL電 路(電路元件)所具有之總阻抗設為Z1。又，將向供電線圈21流動之電流設為I1。再者，電流I1係與輸入至無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin同義。又，本實施形態中，雖已舉例RL電路對供電線圈21進行說明，但亦可設為RLC電路之構成。
受電線圈31發揮藉由電磁感應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，並將其經由穩定電路7及充電電路8而供給至鋰離子二次電池9之作用。與供電線圈21同樣地，如圖3所示，該受電線圈31構成將電阻器R4及線圈L4作為要件之RL電路。又，使用螺線管線圈作為線圈L4部分。又，將構成受電線圈31之電路元件所具有之總阻抗設為Z4，本實施形態中，係將以構成受電線圈31之電阻器R4及線圈L4作為要件之RL電路(電路元件)所具有之總阻抗設為Z4。又，將連接於受電線圈31之被供電機器10(穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9)之總負載阻抗設為ZL。又，將向受電線圈31流動之電流設為I4。再者，雖將被供電機器10之總負載阻抗設為ZL，但亦可方便地置換為RL。又，本實施形態中，雖已例舉RL電路對受電線圈31進行說明，但亦可設為RLC電路之構成。
如圖3所示，供電共振器22構成將電阻器R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路。又，如圖3所示，受電共振器32構成將電阻器R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路。又，供電共振器22及受電共振器32各成為共振電路，發揮創造磁場共振狀態之作用。此處，所謂磁場共振狀態(共振現象)，係指2個以上之線圈以共振頻段共振。又，將構成供電共振器22之電路元件所具有之總阻抗設為Z2，本實施形態中，係將以構成供電共振器22之電阻器R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路(電路元件)所具有之總阻抗設為Z2。又，將構成受電共振器32之電路元件所具有之總阻抗設為Z3，本實施形態中，係將以構成受電共振器32之電阻器R3、線圈L3及電容器C3作為要件之 RLC電路(電路元件)所具有之總阻抗設為Z3。又，將向供電共振器22流動之電流設為I2，將向受電共振器32流動之電流設為I3。
又，關於供電共振器22及受電共振器32中之作為共振電路之RLC電路，若將阻抗設為L、將電容器電容設為C，則由(式1)決定之f0成為共振頻率。
又，供電共振器22及受電共振器32使用螺線管線圈。又，供電共振器22及受電共振器32之共振頻率設為一致。再者，供電共振器22及受電共振器32若為使用線圈之共振器，則亦可為螺旋型或圓筒型等之線圈。
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2及圖3)。
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，關於無線電力傳送裝置1，將線圈L1與線圈L2之間之耦合係數記作k12、將線圈L2與線圈L3之間之耦合係數記作k23、將線圈L3與線圈L4之間之耦合係數記作k34。
再者，若顯示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及鋰離子二次電池9)之電路圖，則成為如圖2之圖式。其係將無線電力傳送裝置1全體置換為一個輸入阻抗Zin進行顯示者，係將 施加至無線電力傳送裝置1之電壓設為電壓Vin、將輸入至無線電力傳送裝置1之電流設為Iin。
又，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。
又，為更具體地表示無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin，若以等效電路表示無線電力傳送裝置1之構成，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可表記為(式3)。
而且，本實施形態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、ZL可分別表記為(式4)。
[數4]
接著，若將(式3)導入(式4)，則成為(式5)。
此處，供電線圈21之RL電路之R1、L1，供電共振器22之RLC電路R2、L2、C2，受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3，受電線圈31之RL電路之R4、L4之電阻值、阻抗、電容器電容及耦合係數k12、k23、k34等，作為在設計及製造階段等可變更之參數發揮作用。
根據上述無線電力傳送裝置1，使供電共振器22之共振頻率與受電共振器32之共振頻率一致時，供電共振器22與受電共振器32之間可創造磁場共振狀態。若於供電共振器22及受電共振器32共振之狀態創造磁場共振狀態，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。而且，可將受電共振器32接收之電力經由受電線圈31、穩定電路7及充電電路8而供給至鋰離子二次電池9並對其充電。
(磁場空間之形成)
本實施形態之無線電力傳送裝置1中，為抑制於供電模組2及受 電模組3之內部、周邊所產生之磁場之強度，而形成磁場強度被減弱之磁場空間G1或磁場空間G2。具體而言，如圖1至圖5所示，於自供電模組2之供電共振器22對受電模組3之受電共振器32利用共振現象進行電力供給時，於供電共振器22及受電共振器32近處，形成具有較周邊磁場強度小之磁場強度之磁場空間G1或磁場空間G2。
磁場空間G1、G2之形成，係藉由設定為表示供電共振器22及受電共振器32中之相對於電源頻率之傳送特性『S21』之圖表具有兩個波峰頻帶，將供給至供電模組之電力之電源頻率設為與兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻率而實現。本實施形態中，如圖1至圖5所示，為於供電共振器22與受電共振器32之間形成磁場空間G1，將電源頻率設為與兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之電源頻率。 再者，未於供電共振器22及受電共振器32之外側形成磁場空間G2時(參照圖5)，則將電源頻率設為與兩個波峰頻帶中形成於低頻側之波峰頻帶對應之電源頻率。
此處，所謂傳送特性『S21』，係表示將無線電力傳送裝置1(供電模組2及受電模組3)連接於網路分析儀110(例如Agilent Technologies股份有限公司製造之E5061B等，參照圖5)所計測之信號，以分貝表示，數值越大則電力傳送效率越高。又，所謂電力傳送效率，係指無線電力傳送裝置1連接於網路分析儀110之狀態下，輸出至輸入端子112之電力相對於自輸出端子111供給至供電模組2之電力之比率。
具體而言，如圖5所示，利用網路分析儀110，一面改變供給至供電共振器22之交流電力之電源頻率，一面分析供電共振器22及受電共振器32中之相對於電源頻率之傳送特性『S21』。此時，如圖4之圖表所示，將橫軸取為自輸出端子111輸出之交流電力之電源頻率，將縱軸取為傳送特性『S21』而進行分析。此處，每次測定供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』時，若供電線圈21與供電共振器 22之間之耦合較強，則會對供電共振器22與受電共振器32之間之耦合狀態造成影響，由於無法正確地測定供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』，故供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12有必要保持在供電共振器22能被充分激發而由供電共振器22生成磁場，且供電線圈21與供電共振器22儘可能不耦合之距離。又，鑒於相同原因，受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34亦有必要保持在受電共振器32能被充分激發而由受電共振器32生成磁場，且受電共振器32與受電線圈31儘可能不耦合之距離。而且，設定成，已分析之供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之分析波形如圖4所示具有形成於低頻側之波峰頻帶(f(Low P))與形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))之兩個波峰頻帶(參照實線150)。
再者，如上述般供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之分析波形其波峰分離成低頻側與高頻側而具有兩個波峰頻帶，係可藉由調整供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23，或調整供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2，受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3之電阻值、阻抗、電容器電容、耦合係數k23等之構成供電共振器22及受電共振器32之可變更之參數而實現。
又，於供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之分析波形具有兩個波峰頻帶，且將供給之交流電力之電源頻率設為形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，供電共振器22及受電共振器32以反相位成為共振狀態，如圖6所示，向供電共振器22流動之電流方向(22A)與向受電共振器32流動之電流方向(32A)為相反方向。結果，如圖6之磁場向量圖所示，藉由於供電共振器22之內周側所產生之磁場與於受電共振器32之內周側所產生之磁場相抵消，在供電共振器22及受電共振器32之內周側，形成磁場之影響減弱且具有較供電共振器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之外周測之磁場強度)小之磁場強度之磁場空間G1。此處，將向供電共振器22流動之電流方向與向受電共振器32流動之電流方向為相反方向之共振狀態稱為反相共振模式。
另一方面，於供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之分析波形具有兩個波峰頻帶，且將供給之交流電力之電源頻率設為形成於低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，供電共振器22及受電共振器32以同相位成為共振狀態，如圖7所示，向供電共振器22流動之電流方向(22A)與向受電共振器32流動之電流方向(32A)為相同方向。結果，如圖7之磁場向量圖所示，藉由於供電共振器22之外周側所產生之磁場與於受電共振器32之外周側所產生之磁場相抵消，在供電共振器22及受電共振器32之外周側，形成磁場之影響減弱且具有較供電共振器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之內周測之磁場強度)小之磁場強度之磁場空間G2。此處，將向供電共振器22流動之電流方向與向受電共振器32流動之電流方向為相同方向之共振狀態稱為同相共振模式。
(伴隨被供電機器之負載變動之無線電力傳送裝置的負載變動)
此處，例舉鋰離子二次電池，簡單說明伴隨鋰離子二次電池之負載變動之無線電力傳送裝置1之負載變動會產生何影響。
本實施形態中，使用鋰離子二次電池9作為被供給電力之被供電機器10之一種。又，一般而言，對鋰離子二次電池9充電時使用恆流恆壓充電方式。關於採用該恆流恆壓充電方式對鋰離子二次電池9之充電，如圖8A之鋰離子二次電池之充電特性所示，在開始充電後不久，係以恆定電流進行充電(CC：constant current)。然後，以恆定電流充電期間，電壓(Vch)上昇至特定之上限電壓(本實施形態中為4.2V)。若電壓上昇至上限電壓，則保持該上限電壓而以恆定電壓進行充電(CV：constant voltage)。若以恆定電壓充電，則電流值(Ich)開 始衰減，於特定電流值或經過特定時間後完成充電。
而且，利用無線電力傳送裝置1，以上述恆流恆壓充電方式對鋰離子二次電池9充電時，自利用恆定電流之充電(CC)轉換為利用恆定電壓之充電(CV)時，如圖8B之構成被供電機器10之穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9之負載阻抗ZL之負載變動特性所示，由於供給至構成被供電機器10之穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9之電流值(Iin)之衰減，恆定電壓充電(CV)中，負載阻抗ZL之值上昇。即，作為本實施形態之被供電機器10(穩定電路7、充電電路8、鋰離子二次電池9)全體之負載阻抗ZL之值上昇(負載變動)。
而且，伴隨被供電機器10之負載阻抗ZL之值之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦產生變動。此處，若由於被供電機器10之負載阻抗ZL之值之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低，則固定電壓下，由於被供電機器10之負載阻抗之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。
另一方面，若對於被供電機器10之負載阻抗ZL之值之上昇，可使包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin上昇，則固定電壓下，對於被供電機器10之負載阻抗之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。例如，可減少充電時(尤其是轉換為恆定電壓後)所消耗之電力量。
即，若被供電機器10之負載阻抗ZL之值之上昇，可使包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin上昇，則對於被供電機器10之負載變動，可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。例如，若為被供電機器10包含鋰離子二次電池9之情 形，則可降低鋰離子二次電池9充電時所消耗之電力量。又，若採用一面直接消耗電力一面可動之驅動機器作為被供電機器10時(例如藉由供給之電力而非二次電池等直接驅動機器者)，則驅動機器之負載上昇時，可減少驅動機器之消耗電力。
本實施形態中，為根據被供電機器10之負載阻抗ZL之值之上昇，使包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin上昇，而設定為，供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值具有兩個波峰頻帶，將供給至供電模組2之電力之電源頻率設為與傳送特性『S21』之兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻段(設為反相共振模式或同相共振模式)，於被供電機器10之負載變動範圍之最高值(例如，若負載於50Ω~200Ω進行變動，則200Ω為負載變動範圍之最高值)中，至少相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶。
又，本實施形態中，於被供電機器10之負載變動範圍之最高值中，至少相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶之設定，係藉由將構成供電模組2及受電模組3之複數個電路元件之各元件值作為參數，並分別變更該等參數而實現。
具體而言，供電線圈21之RL電路之R1、L1，供電共振器22之RLC電路R2、L2、C2，受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3，受電線圈31之RL電路之R4、L4之電阻值、阻抗、電容器電容及耦合係數k12、k23、k34等，成為在設計及製造階段等可變更之參數。再者，對供電線圈21及受電線圈31使用RLC電路時，各RLC電路之電容器電容亦成為在設計、製造階段等可變更之參數。
再者，該等參數有時亦為將上述供電共振器22及受電共振器32 之傳送特性『S21』之分析波形設為波峰分離成低頻側與高頻側而具有兩個波峰頻帶時之參數。
又，作為調整供電模組及受電模組所具有之線圈間之耦合係數k12、k23、k34之值的手法，可例舉以下方法：變更供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、變更供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23、變更受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34，變更供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之線圈直徑，使供電共振器22之中心軸與受電共振器32之中心軸錯開之方法；使供電共振器22之線圈面與受電共振器32之線圈面形成角度之方法；變更供電線圈21、供電共振器22或受電共振器32、受電線圈31等之各元件(電阻、電容器、線圈)之電容之方法；或變更供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率之方法等。
此處，一般而言，如圖9所示，無線電力傳送中，線圈與線圈間之距離與耦合係數k之關係具有若縮短(拉近)線圈與線圈間之距離則耦合係數k之值變高之傾向。若置於本實施形態之無線電力傳送裝置1中來看，則藉由分別縮短供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23、受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34，可提高供電線圈21(線圈L1)與供電共振器22(線圈L2)之間之耦合係數k12、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k23、受電共振器32(線圈L3)與受電線圈31(線圈L4)之間之耦合係數k34。反之，若分別增加供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23、受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34，則可降低供電線圈21(線圈L1)與供電共振器22(線圈L2)之間之耦合係數k12、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k23、受電共振器32(線圈L3)與受電線圈31(線圈L4)之間之耦合係數k34。
(實施例及比較例)
接著，利用條件改變之實施例1至4及比較例，對藉由改變供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12及受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34而使耦合係數k12、k34變動時，相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin將顯示何值進行說明。
實施例1至4及比較例中，將無線電力傳送裝置1連接於示波器(本實施形態中，使用Agilent Technologies股份有限公司製造之E5061B)測定相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值。再者，實施例1至4及比較例中，代替被供電機器(穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9)連接可變電阻器(RL)進行測定。此處，藉由使可變電阻器(RL)之值成為50Ω、100Ω、200Ω之3個值進行測定，可虛擬再現被供電機器10之負載阻抗ZL之值產生變動之現象。
又，實施例1至4及比較例所使用之無線電力傳送裝置1中，供電線圈21係將電阻器R1及線圈L1作為要件之RL電路，線圈L1部分係將線徑1mm之銅線材(附絕緣覆膜)捲繞1圈，設定為線圈直徑100mm(不共振)。受電線圈31係將電阻器R4及線圈L4作為要件之RL電路，線圈L4部分則與供電線圈21同樣地，將線徑1mm之銅線材(附絕緣覆膜)捲繞1圈，設定為線圈直徑100mm(不共振)。又，供電共振器22係將電阻器R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路，線圈L2部分係將線徑1mm之銅線材(附絕緣覆膜)捲繞2圈，線圈直徑為100mm之螺線管線圈。受電共振器32係將電阻器R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路，線圈L3部分係將線徑1mm之銅線材(附絕緣覆膜)捲繞2圈，線圈直徑為100mm之螺線管線圈。又，供電共振器22及受電共振器32之共振頻率為12.63MHz。又，將供電共振器 22與受電共振器32之間之距離d23設為120mm，供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值設為具有形成於低頻側之波峰頻帶(f(Low P))與形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))之兩個波峰頻帶(參照圖10A、圖11A、圖12A、圖13A、圖14A之實線150)。再者，視測定條件調整供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、及受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34。
(實施例1)
於實施例1中，測定將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為40mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為40mm後，使可變電阻器(RL)之值成為50Ω、100Ω、200Ω之3個值時，包含可變電阻(相當於被供電機器10)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin相對於電源頻率之值(參照圖10B)。又，於圖10C之表中，一併顯示將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時(同相共振模式：12.53MHz)之測定值、設為共振頻率f0時(共振頻率12.63MHz)之測定值、及設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時(反相共振模式：12.73MHz)之測定值。再者，實施例1中，如圖10A所示，亦測定了供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值(實線150)，及供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之傳送特性『S21』之值(實線151)。其測定結果示於圖10A。
如圖10B所示，將電源頻率設為共振頻率f0時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=25.0Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=24.4Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=23.9Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低。由此可知，將電源頻率設為共振頻率f0時，對於負載RL之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電 力傳送裝置1之消耗電力增大。
另一方面，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=40.6Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=41.8Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=43.1Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=32.7Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=35.6Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=37.3Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，實施例1中，虛擬再現將被供電機器10之負載設為50Ω、100Ω、200Ω之3個值，被供電機器10之負載阻抗ZL之值在50~200Ω之間進行負載變動之現象。又，於該負載變動之最高值即200Ω，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖10B相對於電源頻率之輸入阻抗一項中為200Ω之圖表)。再者，實施例1中，藉由將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為40mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為40mm，即使將負載設為50Ω及100Ω時，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖10B)。
(實施例2)
於實施例2中，測定將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為30mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為30mm後，使可變電阻器(RL)之值成為50Ω、100Ω、200Ω之3個值時，相對於電源頻率之包含可變電阻(相當於被供電機器10)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值(參照圖11B)。又，於圖11C之表中，一併顯示將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時(同相共振模式：12.53MHz)之測定值、設為共振頻率f0時(共振頻率12.63MHz)之測定值、及設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時(反相共振模式：12.73MHz)之測定值。再者，實施例2中，如圖11A所示，亦測定了供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值(實線150)，及供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之傳送特性『S21』之值(實線152)。其測定結果示於圖11A。
如圖11B所示，將電源頻率設為共振頻率f0時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=33.5Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=29.0Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=26.7Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低。由此可知，將電源頻率設為共振頻率f0時，對於負載RL之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。
另一方面，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=55.2Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=57.5Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=60.4Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，對於負載RL 之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=40.0Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=47.7Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=52.4Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，實施例2中，虛擬再現將被供電機器10之負載設為50Ω、100Ω、200Ω之3個值，被供電機器10之負載阻抗ZL之值在50~200Ω之間進行負載變動之現象。又，於該負載變動之最高值即200Ω，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖11B相對於電源頻率之輸入阻抗一項中為200Ω之圖表)。再者，實施例2中，藉由將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為30mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為30mm，即使將負載設為50Ω及100Ω時，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖11B)。
(實施例3)
實施例3中，測定將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為20mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為20mm後，使可變電阻器(RL)之值成為50Ω、100Ω、200Ω之3個值時，包含可變電阻(相當於被供電機器10)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin相對於電源頻率之值(參照圖12B)。又，於圖12C之表中，一併顯 示將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時(同相共振模式：12.53MHz)之測定值、設為共振頻率f0時(共振頻率12.63MHz)之測定值、及設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時(反相共振模式：12.73MHz)之測定值。再者，實施例3中，如圖12A所示，亦測定了供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值(實線150)，及供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之傳送特性『S21』之值(實線153)。其測定結果示於圖12A。
如圖12B所示，將電源頻率設為共振頻率f0時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=84.8Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=63.0Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=48.5Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低。由此可知，將電源頻率設為共振頻率f0時，隨著負載RL之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。
另一方面，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=74.3Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=77.7Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=84.1Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=61.3Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=74.7Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=87.0Ω；可認為對於負 載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，實施例3中，虛擬再現將被供電機器10之負載設為50Ω、100Ω、200Ω之3個值，被供電機器10之負載阻抗ZL之值在50~200Ω之間進行負載變動之現象。又，在該負載變動之最高值即200Ω，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖12B相對於電源頻率之輸入阻抗一項中為200Ω之圖表)。再者，實施例3中，藉由將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為20mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為20mm，即使將負載設為100Ω時，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖12B)。然而，將負載設為50Ω時，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值僅具有一個波峰頻帶(參照圖12B)。
(實施例4)
實施例4中，測定將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為10mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為10mm後，使可變電阻器(RL)之值成為50Ω、100Ω、200Ω之3個值時，相對於電源頻率之包含可變電阻(相當於被供電機器10)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值(參照圖13B)。又，於圖13C之表中，一併顯示將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時(同相共振模式：12.53MHz)之測定值、設為共振頻率f0時(共振頻率12.63MHz)之測定值、及設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時(反相共振模式：12.73MHz)之測定值。再者，實施例4中，如圖 13A所示，亦測定了供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值(實線150)，及供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之傳送特性『S21』之值(實線154)。其測定結果示於圖13A。
如圖13B所示，將電源頻率設為共振頻率f0時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=267.4Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=203.5Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=149.5Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低。由此可知，將電源頻率設為共振頻率f0時，對於負載RL之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。
另一方面，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=144.1Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=146.5Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=156.4Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=170.5Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=172.2Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=181.9Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電 力。
又，實施例4中，虛擬再現將被供電機器10之負載設為50Ω、100Ω、200Ω之3個值，被供電機器10之負載阻抗ZL之值在50~200Ω之間進行負載變動之現象。又，於該負載變動之最高值即200Ω中，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶(參照圖13B相對於電源頻率之輸入阻抗一項中為200Ω之圖表)。再者，實施例4中，藉由將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為10mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為10mm，將負載設為50Ω或100Ω時，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值僅具有一個波峰頻帶(參照圖13B)。
(比較例)
比較例中，測定將供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12設為5mm、將受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34設為5mm後，使可變電阻器(RL)之值變為50Ω、100Ω、200Ω之3個值時，相對於電源頻率之包含可變電阻(相當於被供電機器10)之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值(參照圖14B)。又，於圖14C之表中，一併顯示將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時(同相共振模式：12.53MHz)之測定值、設為共振頻率f0時(共振頻率12.63MHz)之測定值、及設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時(反相共振模式：12.73MHz)之測定值。再者，比較例中，如圖14A所示，亦測定了供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值(實線150)，及供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之傳送特性『S21』之值(實線155)。其測定結果示於圖14A。
如圖14B所示，將電源頻率設為共振頻率f0時，將RL=設為50Ω 時，輸入阻抗Zin=565.5Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=485.9Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=387.1Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低。由此可知，將電源頻率設為共振頻率f0時，對於負載RL之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。
另一方面，將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=241.7Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=241.6Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=247.1Ω；可認為即使負載RL上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦顯示幾乎不變之值。由此可認為將電源頻率設為低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，即使負載RL上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流亦幾乎不變。
又，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，將RL=設為50Ω時，輸入阻抗Zin=347.3Ω；將RL=設為100Ω時，輸入阻抗Zin=338.0Ω；將RL=設為200Ω時，輸入阻抗Zin=333.6Ω；可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低。由此可知，將電源頻率設為高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，對於負載RL之上昇，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。
又，比較例中，虛擬再現將被供電機器10之負載設為50Ω、100Ω、200Ω之3個值，被供電機器10之負載阻抗ZL之值在50~200Ω之間進行負載變動之現象。又，於該負載變動之最高值即200Ω中，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值僅具有一個波峰頻帶(參照圖14B相對於電源頻率之輸入阻抗一項中為200Ω之圖表)。再者，比較例中，即使將負載設為50Ω或100Ω 時，相對於電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值僅具有一個波峰頻帶(參照圖14B)。
如上所述，若對實施例1至4與比較例進行比較，藉由設為供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值具有兩個波峰頻帶，將供給至供電模組2之電力之電源頻率設為與傳送特性『S21』之兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻段(設為f(High P)或f(Low P))，則於被供電機器10之負載變動範圍之最高值(實施例1至4中為200Ω)，相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶，可認為對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin亦上昇。由此可知，將電源頻率設為高、低頻側之波峰頻帶f(High P)或f(Low P)時，對於負載RL之上昇，可減小包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力。
又，根據實施例1至4及比較例，將電源頻率設為共振頻率f0時，對於負載RL之上昇，無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin降低，包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入電流變大，從而導致包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之消耗電力增大。由此可知，有必要將供給至供電模組2之電力之電源頻率設為與傳送特性『S21』之兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻段(f(High P)或f(Low P))。
(效果)
根據上述構成，被供電機器10之負載變動時，可根據被供電機器10之負載變動傾向，使包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin之值變動。例如，被供電機器10之負載上昇時，可使包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1全體之輸入阻抗Zin之值上昇。藉此，被供電機器10之負載上昇時，可減小包含被供電機器10之 無線電力傳送裝置1之輸入電流，從而可減少被供電機器10之負載上昇時之消耗電力。
又，根據上述構成，可設定為，藉由相互調整構成供電模組2及受電模組3之複數個電路元件之各元件值，使供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值具有兩個波峰頻帶，且無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶。
又，根據上述構成，可設定為，藉由變更供電模組2及受電模組3所具有之線圈間之耦合係數k12、k23、k34之值，使供電共振器22及受電共振器32中之相對於電力之電源頻率之傳送特性『S21』之值具有兩個波峰頻帶，且相對於電力之電源頻率之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶。
又，根據上述構成，可藉由改變線圈間之距離來調整供電模組2及受電模組3所具有之線圈間之耦合係數k12、k23、k34之值。藉此，可藉由物理改變這一簡易設計，調整線圈間之距離。
又，根據上述構成，藉由將供給至供電模組2之電力之電源頻率設為與傳送特性『S21』之兩個波峰頻帶中，形成於高頻側之波峰頻帶f(High P)對應之頻段，供電共振器22與受電共振器32之間，可形成具有較附近磁場強度小之磁場強度之磁場空間G1。
又，根據上述構成，藉由將供給至供電模組2之電力之電源頻率設定為與傳送特性『S21』之兩個波峰頻帶中，形成於低頻側之波峰頻帶f(Low P)對應之頻段，於供電共振器22與受電共振器32之外側，可形成具有較附近磁場強度小之磁場強度之磁場空間G2。
(製造方法)
接著，參照圖1及圖15，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)進行說明。本說明中，例舉作為搭載無線電力傳 送裝置1之行動機器之無線式耳機102及充電器101進行說明(參照圖1)。
(設計方法)
首先，如圖15所示，根據鋰離子二次電池9之電容及鋰離子二次電池9之充電所必需之充電電流，決定受電模組3所接收之受電電力量(S1)。
接著，決定供電模組2與受電模組3之間之距離(S2)。該距離係將內設受電模組3之無線式耳機102載置於內設供電模組2之充電器101時之供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23，使用形態為充電中之狀態。更詳細而言，供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23係考慮無線式耳機102與充電器101之形狀、構造而決定。
又，根據無線式耳機102之大小、形狀及構造，決定受電模組3之受電線圈31及受電共振器32之線圈直徑(S3)。
又，根據充電器101之大小、形狀及構造，決定供電模組2之供電線圈21及供電共振器22之線圈直徑(S4)。
藉由履行上述S2~S4之製程，可推定無線電力傳送裝置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k23與電力傳送效率。
根據上述S1中決定之受電模組3所接收之受電電力量、及經由S2~S4之製程而決定之電力傳送效率，決定對供電模組2供電所必需之最低限度之供電電力量(S5)。
又，根據上述受電模組3所接收之受電電力量、電力傳送效率及對供電模組2供電所必需之最低限度之供電電力量，決定供電共振器22及受電共振器32中之相對於電源頻率之傳送特性『S21』之值具有兩個波峰頻帶之設計值之範圍(S6)。
又，決定至少於被供電機器10，即穩定電路7、充電電路8及鋰 離子二次電池9之推定之負載變動範圍之最高值，相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶之設計值(S7)。
此處，藉由設計成至少於被供電機器10之推定之負載變動範圍之最高值，相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶，相較於設計成於被供電機器10之推定之整個負載變動範圍(或某一程度之範圍)，相對於電力之電源頻率之包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值具有兩個波峰頻帶，可實現設計自由度之提高。
又，以滿足S5及S7中決定之設計值之方式，決定與供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32及受電線圈31相關之最終參數(S8)。此處，作為與供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32及受電線圈31相關之最終參數，可例舉供電線圈21之RL電路之R1、L1，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RL電路之R4、L4之電阻值、阻抗、電容器電容、耦合係數k12、k23、k34，以及供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、供電共振器32與受電線圈31之間之距離d34等。再者，供電線圈21及受電線圈31使用RLC電路時，各RLC電路之電容器電容亦成為在設計、製造階段等可變更之參數。
(其他實施形態)
上述製造方法之說明中，雖例示無線式耳機102而進行說明，但只要為負載變動之機器，則亦可使用平板型PC、數位相機、行動電話、耳掛式音樂播放器、助聽器及集音器等。
又，上述說明中，雖已例示利用供電模組2及受電模組3所具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁場共振狀態)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 磁感應進行電力傳送之無線電力傳送裝置1。
又，上述說明中，雖假設為將無線電力傳送裝置1搭載於攜帶型電子機器之情形而進行說明，但其用途並非限定於該等小型者，藉由視必要電力量而改變其樣式，例如亦可將其搭載於較大型之電動汽車(EV)之無線充電系統，或較小型之醫療用無線式胃鏡等。
以上之詳細之說明中，為可更容易地理解本發明，而以特徵部分為中心進行說明，但本發明並不限定於以上詳細之說明中所記載之實施形態、實施例，亦可適用於其他實施形態、實施例，其適用範圍應儘可能廣泛地解釋。又，本說明書中使用之術語及表達方法係用於恰當地說明本發明者，並非用於限制本發明之解釋。又，認為本領域技術入員會根據本說明書所記載之發明之概念而容易推想出本發明之概念所涵蓋之其他構成、系統、方法等。因此，申請專利範圍之記載應被視為包含在不脫離本發明之技術理念之範圍內均等之構成者。又，為充分理解本發明之目的及本發明之效果，期望充分參酌已揭示之文獻等。
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‧‧‧鋰離子二次電池
10‧‧‧被供電機器
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
d12‧‧‧距離
d23‧‧‧距離
d34‧‧‧距離
Ich‧‧‧電流值
Iin‧‧‧電流
Vin‧‧‧電壓
Zin‧‧‧輸入阻抗

Claims (7)

  1. 一種無線電力傳送裝置，其特徵在於其自至少具備供電共振器之供電模組對連接有負載變動之被供電機器且至少具備受電共振器之受電模組使磁場變化而供給電力；上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，將供給至上述供電模組之電力之電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻段；且設定為，於上述被供電機器之負載變動範圍之最高值中，至少相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
  2. 如請求項1之無線電力傳送裝置，其設定為，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，並分別變更該等參數，藉此上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
  3. 如請求項1之無線電力傳送裝置，其設定為，藉由調整上述供電模組及上述受電模組所具有之線圈間之耦合係數之值，上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，且相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
  4. 如請求項3之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組及上述受電模組所具有之線圈間之耦合係數之值係藉由使上述線圈間之距 離變化而進行調整。
  5. 如請求項1之無線電力傳送裝置，其中將供給至上述供電模組之電力之電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻段。
  6. 如請求項1之無線電力傳送裝置，其中將供給至上述供電模組之電力之電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於低頻側之波峰頻帶對應之頻段。
  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係自至少具備供電共振器之供電模組對連接有負載變動之被供電機器且至少具備受電共振器之受電模組使磁場變化而供給電力；該製造方法包含以下步驟：設定為上述供電共振器及上述受電共振器中之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶；及設定為於上述被供電機器之負載變動範圍之最高值中，至少相對於上述電力之電源頻率之包含上述被供電機器之上述無線電力傳送裝置之輸入阻抗之值具有兩個波峰頻帶。
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