TWI539710B - 供電裝置及無線式供電系統 - Google Patents

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岡野真也
佐藤美沙子
前田修平
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半導體能源研究所股份有限公司
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Description

供電裝置及無線式供電系統
本發明係關於一種供電裝置及具備該供電裝置的非接觸供電系統。
各種電子裝置的普及加快，多種多樣的產品在市場上出售。近年來，行動電話機及數位攝像機等攜帶型電子裝置的普及率顯著提高。此外，由電力提供動力的電動汽車等電力推進移動體也作為產品逐漸在市場上出售。
在行動電話機、數位攝像機或電力推進移動體中內置有作為蓄電單元的電池。目前，在很多情況下，該電池的充電藉由該電池與作為供電單元的家用交流電源直接連接來進行。此外，在目前情況下，不具備電池的結構或不使用充電在電池中的電力的結構，從家用交流電源藉由佈線等直接接受供電。
另一方面，目前對非接觸地進行電池的充電或對負載的供電的方式正在進行研究開發，作為典型方式，可舉出電磁感應方式(也稱為電磁耦合方式)、電波方式(也稱為微波方式)、共振方式。電磁感應方式廣泛地用於電子裝置如小型家電設備等。
共振方式的非接觸供電系統由於在中長距離間能夠獲得高傳送效率，所以受到關注。然而，已知在共振方式的非接觸供電系統中，根據接收電力一側的裝置(以下，稱為受電裝置)所具有的共振線圈與供應電力一側的裝置(以下，稱為供電裝置)所具有的共振線圈之間的距離而電力傳送效率(送電效率)極端變化。由此，對即使受電裝置與供電裝置之間的距離變化也可以維持高傳送效率的結構積極進行研究開發(例如，參照專利文獻1及專利文獻2)。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2010-252468號公報
[專利文獻2]日本專利申請公開第2010-239690號公報
在此，使用示意圖說明共振方式的非接觸供電系統。圖8A1、圖8B1、圖8C1是一種示意圖，其中示出高頻電源900與負載910之間的供電裝置中的第一線圈901、第一共振線圈902以及受電裝置中的第二線圈903、第二共振線圈904。此外，在圖8A1、圖8B1、圖8C1中示意性地示出供電裝置中的第一共振線圈902與受電裝置中的第二共振線圈904之間的距離。圖8A1示出第一共振線圈902與第二共振線圈904之間的距離比最適於共振的距離近的樣子，圖8B1示出第一共振線圈902與第二共振線圈904之間的距離為最適於共振的距離的樣子，而圖8C1示出第一共振線圈902與第二共振線圈904之間的距離比最適於共振的距離遠的樣子。
此外，圖8A2、圖8B2、圖8C2對應於圖8A1、圖8B1、圖8C1示出高頻電源900的振盪頻率及供電裝置與受電裝置之間的傳送效率的關係。注意，圖表中的頻率f0是指共振線圈的共振頻率。
如圖8B1所示，在以第一共振線圈902與第二共振線圈904之間的距離為最適於共振的距離的方式設置第一共振線圈902與第二共振線圈904時，如圖8B2所示在頻率f0時電力傳送效率最大。如圖8A1所示，在第一共振線圈902與第二共振線圈904之間的距離比最適於共振的距離近時，如圖8A2所示，電力傳送效率的峰值分裂，峰值位於頻率f0’。此外，在圖8A2中，兩個峰值之間的穀值位於頻率f0，即電力傳送效率降低。此外，如圖8C1所示，在第一共振線圈902與第二共振線圈904之間的距離比最適於共振的距離遠時，在圖8C2中不產生峰值分裂，但是共振頻率f0時的電力傳送效率與圖8B2相比低。
因此，從圖8A1至圖8C2可知為了在供電裝置與受電裝置之間獲得高電力傳送效率，依據供電裝置與受電裝置之間的傳送效率最大的頻率與供電裝置的高頻電源的共振頻率一致是重要的。然而，為了根據在供電裝置與受電裝置之間的距離動態控制振盪頻率，還需要對高頻電源設置控制單元，這導致裝置的大型化及成本的增大。
鑒於上述問題，本發明的一個方式的目的是提供一種共振方式的供電系統，該供電系統能夠在供電裝置與受電裝置之間獲得高電力傳送效率，而不根據供電裝置與受電裝置之間的距離動態控制振盪頻率。
在本發明的一個方式中，藉由在受電裝置及供電裝置的兩者中追加用來調整匹配條件的結構，在供電裝置與受電裝置之間獲得高電力傳送效率。尤其是，在本發明的一個方式中，在受電裝置及供電裝置的兩者中設置收發電路及匹配電路，藉由共振線圈進行用來調整匹配電路的無線信號的收發。由此，供電裝置能夠高效地將電力供應到受電裝置，而不調整振盪頻率。
本發明的一個方式是一種供電裝置，包括：共振於受電裝置中的與第二線圈電磁耦合的第二共振線圈的第一共振線圈；與第一共振線圈電磁耦合的第一線圈；包括調變電路及解調變電路的收發電路，該調變電路用來調變從高頻電源輸出的交流信號以與該交流信號重疊資料信號來產生第一無線信號，該解調變電路用來解調從受電裝置第一線圈所接收的第二無線信號；用來實現高頻電源一側與第一線圈一側的阻抗匹配的匹配電路；以及用來根據藉由第一線圈接收的在受電裝置中檢測出且包含在第二無線信號中的電力值而控制匹配電路且產生重疊於交流信號的第一無線信號的資料信號的控制電路。
本發明的一個方式是一種非接觸供電系統，包括：供電裝置及受電裝置，供電裝置包括：第一共振線圈；與第一共振線圈電磁耦合的第一線圈；包括調變電路及解調變電路的第一收發電路，該調變電路用來調變從高頻電源輸出的交流信號以與該交流信號重疊資料信號來產生第一無線信號，該解調變電路用來使用第一線圈解調從受電裝置接收的第二無線信號；用來實現高頻電源一側與第一線圈一側的阻抗匹配的第一匹配電路；以及用來根據藉由第一線圈接收的第二無線信號中的在受電裝置中檢測出的電力值而控制第一匹配電路且產生重疊於交流信號的第一無線信號的資料信號的第一控制電路，受電裝置包括：藉由與第一共振線圈共振從供電裝置接收第一無線信號的第二共振線圈；與第二共振線圈電磁耦合的第二線圈；包括解調變電路及調變電路的第二收發電路，該解調變電路用來解調藉由第二共振線圈接收的第一無線信號，該調變電路產生發送到第一共振線圈的第二無線信號；用來實現整流電路一側與第二線圈一側的阻抗匹配的第二匹配電路；用來檢測出由藉由第二線圈接收的第一無線信號獲得的電力的受電電力檢測電路；以及根據重疊於藉由第二線圈接收的第一無線信號的資料信號控制第二匹配電路且以根據由受電電力檢測電路檢測出的電力值產生第二無線信號的方式控制第二收發電路的第二控制電路。
本發明的一個方式可以提供一種共振方式的供電系統，該供電系統能夠在供電裝置與受電裝置之間獲得高電力傳送效率，而不根據供電裝置與受電裝置之間的距離動態控制振盪頻率。
下面，參照圖式對本發明的實施方式進行說明。但是，本發明可以以多個不同形式來實施，所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發明的宗旨及其範圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在實施方式所記載的內容中。注意，在以下說明的發明的結構中，在不同的圖式中共同使用相同的元件符號來表示相同的部分。
另外，有時為了明確起見，誇大表示各實施方式的圖式等所示的各結構的尺寸、層的厚度、信號波形。因此，不一定侷限於其尺度。
另外，在本說明書中使用的第一至第n(n為自然數)的序數詞是為了避免結構要素的混淆而附記的，而不是用於在數目方面上進行限制。
實施方式1
在本實施方式中說明進行本發明的一個方式中的共振方式的非接觸供電的非接觸供電系統。
圖1示出供電裝置及受電裝置的方塊圖。在圖1中示出藉由供電裝置中的第一共振線圈與受電裝置中的第二共振線圈共振，利用電磁場傳送電力的樣子。另外，在圖1所示的方塊圖中，雖然根據功能將供電裝置及受電裝置內的電路分類並作為彼此獨立的方塊圖而示出。但是實際上難以按功能將供電裝置及受電裝置的電路完全分開，一個電路有時具有多個功能。或者，多個電路有時實現對應於一個框的功能的結構。
供電裝置110包括：高頻電源111；第一匹配電路112；第一收發電路113；第一線圈114；第一控制電路115；第一共振線圈116；以及第一共振電容元件117。
此外，受電裝置120包括：第二共振線圈121；第二共振電容元件122；第二線圈123；第二收發電路124；第二匹配電路125；整流電路126；負載127；第二控制電路128；以及受電電力檢測電路129。
高頻電源111是用來輸出交流信號的電源電路，該交流信號基於用來在供電裝置與受電裝置之間藉由共振方式進行供電的頻率(第一共振線圈和第二共振線圈的共振頻率)。
對從本實施方式中的供電裝置110的高頻電源111輸出的交流信號的頻率(振盪頻率)沒有特別的限制，該頻率為藉由共振方式將電力從供電裝置110傳送到受電裝置120的振盪頻率即可。作為共振方式的振盪頻率，例如可以使用幾kHz的頻帶至幾GHz的頻帶的振盪頻率。
第一匹配電路112藉由第一收發電路113連接於高頻電源111及第一線圈114。第一匹配電路112具有至少一個元件，該元件與高頻電源111串聯連接及/或並聯連接且能夠調整阻抗。此外，能夠調整阻抗的元件是指可變電容元件、可變線圈。此外，第一匹配電路112的工作以實現成為輸入一側的高頻電源111一側與成為輸出一側的第一線圈114一側的阻抗匹配的方式由第一控制電路115控 制。
第一收發電路113連接於高頻電源111及第一線圈114。第一收發電路113具有如下功能：藉由調變從高頻電源111輸出的交流信號產生從第一線圈114發送的第一無線信號的功能；以及解調藉由第一線圈114接收的第二無線信號的功能。作為調變功能，採用將混頻電路設置在高頻電源111一側的結構即可。此外，混頻電路是根據清查(inventory)信號、資料信號或對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號等調變從高頻電源輸出的交流信號的振幅、相位、頻率等的電路。作為解調功能，採用將檢波電路、放大電路及整流電路設置在第一線圈114一側的結構即可。
圖10A示出圖1中的第一收發電路113的框的具體的圖。在圖10A中，在第一收發電路113中在高頻電源111一側設置用作調變電路的混頻電路501。此外，在圖10A中，在第一收發電路113中在第一線圈114一側設置用作解調變電路的檢波電路502、放大電路503及整流電路504。
此外，第一無線信號是從供電裝置110發送到受電裝置120的無線信號，藉由調變用於供電的交流信號來可以獲得。第一無線信號是能夠重疊如下信號的無線信號：要求受電裝置120的回應的清查信號；對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號；或資料信號等。此外，第二無線信號是從受電裝置120發送到供電裝置110的無線信號，藉由對用來供電的交流信號進行負載調變來可以獲得。第二無線信號是能夠重疊如下信號的無線信號：用來回應從供電裝置110發送的清查信號的信號；關於藉由受電裝置120接收到的電力值的信號；或用來通知藉由受電裝置120接收資料信號的信號等。另外，清查信號是供電裝置110為了確認受電裝置120的存在的而發送的信號。
第一線圈114藉由第一匹配電路112及第一收發電路113連接於高頻電源111。第一線圈114較佳的是採用與第一共振線圈116電磁耦合的結構，使用由電線纏成的線圈即可。供電裝置110與受電裝置120相比對設置位置沒有限制，由此供電裝置110中的第一線圈114的設計自由度比受電裝置120中的第二線圈123的設計自由度高。
第一控制電路115是具有如下功能的電路：根據與藉由第一收發電路113接收的第二無線信號重疊且關於藉由受電裝置120接收的電力值的信號控制第一匹配電路112；以及從第一收發電路113將重疊於第一無線信號的資料信號發送到受電裝置120。此外，第一控制電路115如圖10A所示採用與儲存根據藉由受電裝置120接收的電力值的多個資料信號的儲存電路505進行信號的輸入/輸出的結構即可。
第一共振線圈116與第一共振電容元件117連接。第一共振線圈116較佳的是採用與第一線圈114電磁耦合且與第二共振線圈121共振的結構，並使用由電線纏成的線圈即可。對其形狀沒有特別的限制，但是供電裝置110與受電裝置120相比對設置位置沒有限制，由此供電裝置110中的第一共振線圈116的設計自由度比受電裝置120中的第二共振線圈121的設計自由度高。此外，特別佳的是第一共振線圈116的Q值高，Q值為100以上較佳。此外，在第一線圈114與第一共振線圈116之間，作為一個例子，利用電磁耦合非接觸地進行第一無線信號及第二無線信號的收發，作為第一無線信號有要求受電裝置120的回應的清查信號、對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號或資料信號等，作為第二無線信號有用來回應從供電裝置110發送的清查信號的信號、關於藉由受電裝置120接收的電力值的信號或用來通知藉由受電裝置120接收到資料信號的信號等。另外，在第一共振線圈116與第二共振線圈121之間，作為一個例子，利用磁場共振非接觸地進行第一無線信號及第二無線信號的收發，作為第一無線信號有要求受電裝置120的回應的清查信號、對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號或資料信號等，作為第二無線信號有用來回應從供電裝置110發送的清查信號的信號、關於藉由受電裝置120接收的電力值的信號或用來通知藉由受電裝置120接收到資料信號的信號等。磁場共振方式利用非接觸供電中的共振方式，並與相同的線圈徑的電磁感應方式相比可以在更遠距離上傳送電力。
第一共振電容元件117是與第一共振線圈116成對，並以獲得所希望的共振頻率的方式設置的電容元件。此外，不需要分別設置第一共振電容元件117和第一共振線圈116，若可以用第一共振線圈116的浮動電容代替第一共振電容元件117的電容，則並不一定需要設置第一共振電容元件117。
此外，第二共振線圈121與第二共振電容元件122連接。第二共振線圈121較佳的是採用與第二線圈123電磁耦合且與第一共振線圈116共振的結構，並使用由電線纏成的線圈即可。對其形狀沒有特別的限制，但是受電裝置120與供電裝置110相比被要求小型化，受電裝置120中的第二共振線圈121與供電裝置110中的第一共振線圈116相比設計為小型較佳。此外，特別佳的是第二共振線圈121的Q值高，Q值為100以上較佳。此外，在第二線圈123與第二共振線圈121之間，作為一個例子，利用電磁耦合非接觸地進行第一無線信號及第二無線信號的收發，作為第一無線信號有要求受電裝置120的回應的清查信號、對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號或資料信號等，作為第二無線信號有用來回應從供電裝置110發送的清查信號的信號、關於藉由受電裝置120接收的電力值的信號或用來通知藉由受電裝置120接收到資料信號的信號等。
第二線圈123藉由第二收發電路124、第二匹配電路125、整流電路126連接於負載127。第二線圈123較佳的是採用與第二共振線圈121電磁耦合的結構，使用由電線纏成的線圈即可。對其形狀沒有特別的限制，但是受電裝置120與供電裝置110相比被要求小型化，受電裝置120中的第二線圈123與供電裝置110中的第一線圈114相比設計為小型較佳。
第二收發電路124藉由第二匹配電路125及整流電路126連接於負載127及第二線圈123。第二收發電路124具有如下功能：藉由對從供電裝置110發送的用來供電的交流信號進行負載調變，產生重疊關於從供電裝置110接收的電力值的信號的第二無線信號的功能；解調從供電裝置110接收的第一無線信號的功能。作為調變功能，採用將串聯連接負載調變元件及調變電晶體的電路在第二線圈123一側並聯設置的結構即可。作為解調功能，採用將檢波電路、放大電路及整流電路設置在第二線圈123一側的結構即可。
圖10B示出圖1中的第二收發電路124的框的具體的圖。在圖10B中，在第二收發電路124中在第二線圈123一側設置用作調變電路的負載調變元件511及調變電晶體512。此外，在圖10B中，在第二收發電路124中在第二線圈123一側設置用作解調變電路的檢波電路513、放大電路514及整流電路515。
第二匹配電路125藉由整流電路126及第二收發電路124連接於第二線圈123。第二匹配電路125具有至少一個元件，該元件與負載127串聯連接及/或並聯連接且能夠調整阻抗。此外，第二匹配電路125的工作以實現成為輸入一側的第二線圈123一側與成為輸出一側的整流電路126一側的阻抗匹配的方式由第二控制電路128控制。
此外，第二匹配電路125較佳為具有與第一匹配電路112相同的結構的電路。例如，在第一匹配電路112中，在與高頻電源111串聯連接的元件為可變電容元件時，在第二匹配電路125中，該元件也為可變電容元件較佳。該元件不侷限於可變電容元件，使用可變線圈時也與此相同。
整流電路126為用來使藉由第二線圈123接收的交流信號整流化而變為直流信號的電路。整流電路126例如使用二極體元件構成即可。此外，使用二極體元件構成的整流電路既可以為全波整流電路又可以為半波整流電路，也可以由使用二極體電橋的電路或使用變壓器的全波整流電路等構成。
負載127使用以非接觸的方式被供電而起作用的元件即可。作為一個例子，有電池或電動發動機等，明確而言可以舉出行動電話機等由電池工作的電子裝置及電力推進移動體。此外，在受電裝置120中也可以在負載127與整流電路126之間如圖10B所示具有DCDC轉換器516，該DCDC轉換器516用來將藉由第二線圈123接收第一無線信號而獲得的直流電壓變換為在負載127中使用的電壓值。
第二控制電路128為用來根據藉由第二收發電路124 接收的包括在第一無線信號中的資料控制第二匹配電路125的電路。此外，第二控制電路128為從第二收發電路124輸出關於從供電裝置110接收的電力值的信號的電路。根據電壓值乘電流值的積，即基於來自供電裝置110的交流信號的電力值，作為第二無線信號發送電力值的信號。使用受電電力檢測電路129檢測出電力值。
受電電力檢測電路129為用來檢測從供電裝置110到受電裝置120的電力傳送效率的電路。例如，受電電力檢測電路129可以採用如下結構，即使用A/D轉換電路構成，藉由監視藉由受電裝置120接收的交流信號的電壓值及電流值，估計來自供電裝置110的電力值。受電電力檢測電路129所獲得的電壓值從類比信號被轉換為數位信號，而可以在第二控制電路128中獲得該電壓值。
圖2A至圖2D示出第一匹配電路112及第二匹配電路125的電路結構的一個例子。在圖2A至圖2D中說明可應用於第一匹配電路112及第二匹配電路125的匹配電路的結構。此外，在圖2A至圖2D中用匹配電路200表示第一匹配電路112及第二匹配電路125，用輸入一側電路241表示高頻電源111等的輸入一側的電路，而用輸出一側電路242表示第一線圈114等的輸出一側的電路。另外，用控制電路203表示第一控制電路115及第二控制電路128。
圖2A示出在匹配電路200中並聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的可變電容元件201以及串聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的電容元件202。可變電容元件201的電容值由控制電路203控制。圖2B示出在匹配電路200中並聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的可變電容元件201以及串聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的可變電容元件212。可變電容元件201及可變電容元件212的電容值由控制電路203控制。
圖2C示出在匹配電路200中並聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的可變線圈221以及串聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的線圈222。可變線圈221的電感值由控制電路203控制。圖2D示出在匹配電路200中並聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的可變線圈221及串聯連接於輸入一側電路241及輸出一側電路242的可變線圈232。可變線圈221及可變線圈232的電感值由控制電路203控制。
此外，第一匹配電路112及第二匹配電路125較佳為具有相同的結構。例如，在第一匹配電路112中，在與高頻電源111串聯連接的元件為可變電容元件時，在第二匹配電路125中，該元件也為可變電容元件較佳。該元件不侷限於可變電容元件，使用可變線圈時也與此相同。
此外，圖2A及圖2B所示的匹配電路的結構示出使用可變電容元件由控制電路203控制靜電電容的結構。在此說明可變電容元件的具體結構。圖9A示出作為圖2A中的可變電容元件201具有可變電容二極體601A(也稱為變容二極體：varicap diode)及電容元件601B的結構。此外，圖9B示出作為圖2B中的可變電容元件201、可變電容元件212具有可變電容二極體601A及電容元件601B、可變電容二極體602A及電容元件602B的結構。此外，具有可變電容二極體的可變電容元件藉由D/A轉換器603由控制電路控制。此外，作為可變電容元件，除了使用可變電容二極體的結構以外，還可以使用將連接於開關的多個電容元件配置為並聯，且藉由控制開關的開閉來控制靜電電容值的結構。此外，作為可變電容元件，除了上述結構以外，還可以使用藉由電發動機等機械性地控制旋轉式可變電容器，且使靜電電容值可變的結構。
此外，圖2A至圖2D所示的匹配電路的結構也可以為切換可變電容元件和可變線圈而由控制電路203控制靜電電容的結構。圖9C示出使用開關611切換可變電容元件612和可變線圈613。如圖9C所示，藉由由控制電路203切換開關611，可以切換可變電容元件612的電容值和可變線圈613的電感值而控制。
在以下的本實施方式中說明如下情況，即第一匹配電路112具有串聯連接於高頻電源111的可變電容元件(Cs)、並聯連接於高頻電源111的可變電容元件(Cp)，並且第二匹配電路125具有串聯連接於負載127的可變電容元件(Cs)、並聯連接於負載127的可變電容元件(Cp)。
在共振方式的非接觸供電系統中，根據供電裝置110所具有的第一共振線圈116與受電裝置120所具有的第二共振線圈121之間的距離，電力傳送效率成為最大值的條件不同。因此，在本實施方式的結構中，按供電裝置110與受電裝置120之間的距離，以電力傳送效率成為最大值的方式改變第一匹配電路112的參數及第二匹配電路125的參數。此外，關於電力傳送效率成為最大值的第一匹配電路112的參數及第二匹配電路125的參數的參數集的信號相當於圖1所說明的資料信號。
此外，第一匹配電路112的參數是指第一匹配電路112所具有的可變電容元件或可變線圈的各阻抗，而第二匹配電路125的參數是指第二匹配電路125所具有的可變電容元件或可變線圈的各阻抗。此外，供電裝置110與受電裝置120之間的距離是指第一共振線圈116與第二共振線圈121之間的距離。
表1示出按供電裝置110與受電裝置120之間的距離設定電力傳送效率成為最大值的第一匹配電路112的參數及第二匹配電路125的參數的表。
此外，表1所示的資料以能夠由第一控制電路115或第二控制電路128讀出資料的方式設定即可。在本說明書中，以下說明在供電裝置110中的第一控制電路115一側具備關於表1的資料的結構。
在表1中，以第一匹配電路112的參數、第二匹配電路125的參數及供電裝置110與受電裝置120之間的距離為一個參數集，且給參數集號碼。此外，No.0表示第一匹配電路112及第二匹配電路125的初期狀態。
圖3示出供電裝置110與受電裝置120之間的距離和受電電力的關係的圖。圖3所示的實線曲線301是示出參數集為No.j時的供電裝置110與受電裝置120之間的距離和傳送效率的關係的圖表。此外，圖3所示的虛線曲線302是示出參數集為No.j+1時的供電裝置110與受電裝置120之間的距離和傳送效率的關係的圖表。此外，傳送效率為供電裝置與受電裝置之間的電力傳送效率，並可以以S21參數集表示。
例如，如表1所示，在參數集No.j中，在將第一匹配電路112的參數設定為Cs0j、Cp0j且將第二匹配電路125的參數設定為Cs1j、Cp1j的情況下，在供電裝置110與受電裝置120之間的距離為Dj時，電力傳送效率成為最大值(參照圖3中的實線曲線301)。換言之，也可以說在供電裝置110與受電裝置120之間的距離為Dj時，若不將第一匹配電路112的參數設定為Cs0j、Cp0j且不將第二匹配電路125的參數設定為Cs1j、Cp1j，則電力傳送效率不成為最大值。
例如，在將第一匹配電路112的參數及第二匹配電路125的參數設定為Cs0j、Cp0j、Cs1j、Cp1j時，若供電裝置110與受電裝置120之間的距離為Dj+1，則電力傳送效率不成為最大值(參照圖3中的虛線曲線302)。藉由將第一匹配電路112的參數及第二匹配電路125的參數設定為Cs0j+1、Cp0j+1、Cs1j+1、Cp1j+1，在供電裝置110與受電裝置120之間的距離為Dj+1時，電力傳送效率成為最大值(參照圖3中的虛線曲線302)。
圖6示出實際上以Cs為0pF至1000pF、Cp為0pF至150pF的方式設定第一匹配電路112的參數及第二匹配電路125的參數時的供電裝置110與受電裝置120之間的距離和傳送效率的關係。此外，對應於圖6的表2示出第一匹配電路112的參數、第二匹配電路125的參數和以電力傳送效率成為最大值的方式設定的供電裝置110與受電裝置120之間的距離的表。此外，圖6中的各資料對應於表2。
如圖6及表2所示，藉由設定參數集，可以根據供電裝置與受電裝置之間的距離實現傳送效率的最大化。尤其是，在近距離，可以抑制因電力傳送效率的峰值分離而導致傳送效率的降低。
接著，說明根據本發明的一個方式的非接觸供電系統的供電方法。圖4是示出非接觸供電系統的供電方法的一個例子的流程圖。
供電裝置110以重疊於高頻電源所輸出的交流信號的方式間歇地傳送作為第一無線信號的清查信號(參照圖4所示的步驟401)。供電裝置110反復傳送清查信號直到受電裝置120被設置在任意位置上且供電裝置110接收重疊於第二無線信號的用來應答清查信號的信號，(參照圖4所示的步驟402)。在判定了受電裝置120設置在能夠送電的位置上時，進入下一步驟。
接著，在受電裝置120被設置在任意位置上之後，供電裝置110使用高頻電源所輸出的交流信號開始以無線方式對受電裝置120連續傳送電力(參照圖4所示的步驟403)。此時，由於供電裝置110中的第一匹配電路112的參數及受電裝置120中的第二匹配電路125的參數處於初期狀態(例如，表1所示的No.0的參數集)，在此步驟下不一定進行傳送效率高的送電。此外，在本實施方式中說明從給參數集的號碼的No.1向正方向移動的情況。
藉由開始從供電裝置110對受電裝置120的送電，藉由磁場共振將交流信號從供電裝置110中的第一共振線圈116傳送到受電裝置120中的第二共振線圈121，再者，藉由整流電路126將其變換為直流信號，並施加到負載127。此時，受電裝置120中的第二控制電路128根據從供電裝置110傳送的第一無線信號且對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號，藉由受電電力檢測電路129獲得使受電裝置120所接收的交流信號整流的直流信號的電壓值及電流值(參照圖4所示的步驟404)。將此時的電壓值乘電流值的積稱為電力值P0。根據供電裝置110的指令，所獲得的電壓值乘電流值的積(電流值P0)的資料作為受電裝置120從供電裝置110接收的電力值的信號使用第二無線信號傳送到第一控制電路115。此外，所獲得的電壓值乘電流值的積(電力值P0)的資料也可以一旦儲存在連接於第二控制電路128的儲存裝置(未圖示)中。
接著，作為一定期間(例如，300msec)的等待狀態，對受電裝置120中的負載127進行充電(或供電)(參照圖4所示的步驟405)。
接著，第一控制電路115根據負載127的充電狀態判定是否繼續負載127的充電(參照圖4所示的步驟406)。在判定不繼續負載127的充電時，藉由使高頻電源111處於截止狀態，完成充電(參照圖4所示的步驟407)。在判定繼續負載127的充電時，進入下一步驟。
接著，第一控制電路115判定是否使參數集向正方向移動(參照圖4所示的步驟408)。在判定不向正方向移動時，將使參數集向負方向移動的指令輸出到第一匹配電路112及第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟410)。在判定向正方向移動時，將使參數集向正方向移動的指令輸出到第一匹配電路112及第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟409)。此外，從第一控制電路115將指令輸出到第二匹配電路125時，對第一收發電路113輸出資料信號，從第一收發電路113將第一無線信號傳送到受電裝置120中的第二收發電路124，並從第二收發電路124藉由第二控制電路128輸出到第二匹配電路125即可。此外，受電裝置120在接收到第一無線信號之後，作為第二無線信號將用來通知受電裝置120接收到資料信號的信號回復到供電裝置。
接著，第二控制電路128根據對受電裝置120要求將受電裝置120所接收的電力值回復到供電裝置110的信號，藉由受電電力檢測電路129獲得將參數集向正方向或負方向移動之後的電壓值及電流值(參照圖4所示的步驟411)。將此時的電壓值乘電流值的積稱為電力值P1。根據供電裝置110一側的指令，所獲得的電壓值乘電流值的積(電力值P1)的資料作為關於受電裝置120從供電裝置110接收的電力值的信號使用第二無線信號傳送到第一控制電路115。也可以將所獲得的電壓值乘電流值的積(電力值P1)的資料一旦儲存在連接於第二控制電路128的儲存裝置(未圖示)中。
接著，第一控制電路115判定是否電力值P1大於電力值P0(參照圖4所示的步驟412)。在第一控制電路115判定電力值P1小於電力值P0時，將使參數集的移動方向反轉的指令從第一控制電路115輸出到第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟414)。在第一控制電路115判定電力值P1大於電力值P0時，將維持參數集的移動方向的指令輸出到第一匹配電路112及第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟413)。此外，從第一控制電路115將指令輸 出到第二匹配電路125時，對第一收發電路113輸出資料信號，從第一收發電路113將第一無線信號傳送到受電裝置120中的第二收發電路124，並從第二收發電路124藉由第二控制電路128輸出到第二匹配電路125即可。此外，受電裝置120在接收到第一無線信號之後，作為第二無線信號將用來通知受電裝置120接收到資料信號的信號回復到供電裝置。
接著，第一控制電路115將電力值P1代入電力值P0(參照圖4所示的步驟415)。此後的處理回到步驟405，反復進行步驟405以後的處理。換言之，直到負載127的充電完成為止反復進行步驟405至步驟415的一系列的處理。
例如，假設在反復進行步驟405至步驟415的一系列的處理，且第一控制電路115獲得在參數集No.j-1的電壓值乘電流值的積(P0=Wj-1)之後，使參數集向正方向移動，而獲得參數集No.j的電壓值乘電流值的積(P1=Wj)(參照圖4所示的步驟411)。
接著，第一控制電路115判定是否電力值P1大於電力值P0。第一控制電路115判定P1大於P0(Wj>Wj-1)(參照圖4所示的步驟412)時，將維持參數集的移動方向的指令從第一控制電路115輸出到第一匹配電路112及第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟413)。
接著，由於在第一控制電路115中將電力值P1代入電力值P0(參照圖4所示的步驟415)，所以P0=Wj，在一定期間對負載127進行充電(參照圖4所示的步驟405)。
接著，第一控制電路115判定是否繼續對負載127進行充電，在判定繼續充電(參照圖4所示的步驟406)時，進入步驟408。
接著，第一控制電路115判定是否使參數集向正方向移動(參照圖4所示的步驟408)。在此，由於藉由使參數集向正方向移動，即從No.j-1移動到No.j，在步驟411中判定P0<P1，所以第一控制電路115將使參數集向正方向移動，即將從No.j+1移動到No.j的指令輸出到第一匹配電路112及第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟409)。
接著，第二控制電路128獲得參數集No.j+1的電壓值及電流值(圖4所示的步驟411)。此時的電壓值乘電流值的積為電力值P1=Wj+1。
接著，第一控制電路115判定是否電力值P1大於電力值P0，而判定P1小於P0(Wj<Wj+1)(參照圖4所示的步驟412)。在此情況下，將反轉參數集的移動方向的指令輸出到第一匹配電路112及第二匹配電路125(參照圖4所示的步驟414)。
接著，由於在第一控制電路115中將電力值P1代入電力值P0，所以P0=Wj+1(參照圖4所示的步驟415)，在一定期間對負載127進行充電(參照圖4所示的步驟405)。
在此，圖5示出上述參數集的No.和傳送效率的關係。如圖5所示，在參數集為No.j時，傳送效率成為極大值，可以從供電裝置110高效地對受電裝置120進行供電。藉由直到負載127的充電完成為止反復進行參數集No.j-1至No.j+1，可以高效地對負載127進行充電。
此外，即使在對負載127進行充電的過程中供電裝置110與受電裝置120之間的距離發生變化，也可以不斷改變參數集No.直到完成負載127的充電，由此可以高效地進行充電。
在圖1所示的非接觸供電系統中，藉由應用圖4所示的供電方法，能夠根據供電裝置110和受電裝置120的配置，在供電裝置與受電裝置之間獲得高電力傳送效率，而不動態控制振盪頻率。
本實施方式可以與其他實施方式所記載的結構適當地組合而實施。
實施方式2
在本實施方式中說明可以應用上述實施方式所說明的非接觸供電系統的用途。此外，作為可以應用根據本發明的一個方式的非接觸供電系統的用途，可以舉出可攜式電子裝置如數位攝像機、可攜式資訊終端(移動電腦、行動電話機、可攜式遊戲機或電子書閱讀器等)、具備記錄媒體的影像再現裝置(明確而言，Digital Versatile Disc：數位影音光碟(DVD))等。此外，可以舉出由電力提供動力的電動汽車等電力推進移動體。以下，參照圖式說明一個例子。
圖7A示出將非接觸供電系統應用於行動電話機及可攜式資訊終端的一個例子，並示出供電裝置701、具有受電裝置703A的行動電話機702A、具有受電裝置703B的行動電話機702B。上述實施方式所說明的非接觸供電系統可以應用於供電裝置701與受電裝置703A之間以及供電裝置701與受電裝置703B之間。
例如，供電裝置701可以應用實施方式1所示的供電裝置110的結構，受電裝置703A及受電裝置703B可以應用實施方式1所示的受電裝置120的結構。
藉由應用根據本發明的一個方式的非接觸供電系統，可以根據供電裝置701和受電裝置703A的配置以及供電裝置701和受電裝置703B的配置，提高送電效率，因此可以高效地將電力從供電裝置701供應到受電裝置703A及受電裝置703B。
圖7B示出將非接觸供電系統應用於作為電力推進移動體的電動汽車的一個例子，並示出供電裝置711、具有受電裝置713的電動汽車712。可以將上述實施方式所說明的非接觸供電系統應用於供電裝置711與受電裝置713之間。
例如，供電裝置711可以應用實施方式1所示的供電裝置110的結構，受電裝置713可以應用實施方式1所示的受電裝置120的結構。
藉由應用根據本發明的一個方式的非接觸供電系統，可以根據供電裝置711和受電裝置713的配置，提高送電效率，因此可以高效地將電力從供電裝置711供應到受電裝置713。
以上，上述實施方式所說明的非接觸供電系統只要是使用電力驅動的物品就可以設置在任何物品中而使用。
本實施方式可以與其他實施方式所記載的結構適當地組合而實施。
110．．．供電裝置
111．．．高頻電源
112．．．匹配電路
113．．．第一收發電路
114．．．第一線圈
115．．．第一控制電路
116．．．第一共振線圈
117．．．第一共振電容元件
120．．．受電裝置
121．．．第二共振線圈
122．．．第二共振電容元件
123．．．第二線圈
124．．．第二收發電路
125．．．第二匹配電路
126．．．整流電路
127．．．負載
128．．．第二控制電路
129．．．受電電力檢測電路
200．．．匹配電路
201．．．可變電容元件
202．．．電容元件
203．．．控制電路
212．．．可變電容元件
221．．．可變線圈
222．．．線圈
232．．．可變線圈
241．．．輸入一側電路
242．．．輸出一側電路
301．．．實線曲線
302．．．虛線曲線
401．．．步驟
402．．．步驟
403．．．步驟
404．．．步驟
405．．．步驟
406．．．步驟
407．．．步驟
408．．．步驟
409．．．步驟
410．．．步驟
411．．．步驟
412．．．步驟
413．．．步驟
414．．．步驟
415．．．步驟
701．．．供電裝置
711．．．供電裝置
712．．．電動汽車
713．．．受電裝置
900．．．高頻電源
901．．．第一線圈
902．．．第一共振線圈
903．．．第二線圈
904．．．第二共振線圈
910．．．負載
601A．．．可變電容二極體
602A．．．可變電容二極體
601B．．．電容元件
602B．．．電容元件
603．．．D/A轉換器
611．．．開關
612．．．可變電容元件
613．．．可變線圈
702A．．．行動電話機
702B．．．行動電話機
703A．．．受電裝置
703B．．．受電裝置
501．．．混頻電路
502．．．檢波電路
503．．．放大電路
504．．．整流電路
505．．．儲存電路
511．．．負載調變元件
512．．．調變電晶體
513．．．檢波電路
514．．．放大電路
515．．．整流電路
516．．．DCDC轉換器
在圖式中：
圖1是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖2A至圖2D是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖3是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖4是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖5是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖6是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖7A和圖7B是用來說明實施方式2的結構的圖；
圖8A1、圖8A2、圖8B1、圖8B2、圖8C1及圖8C2是用來說明課題的圖；
圖9A至圖9C是用來說明實施方式1的結構的圖；
圖10A和圖10B是用來說明實施方式1的結構的圖。
110．．．供電裝置
111．．．高頻電源
112．．．匹配電路
113．．．第一收發電路
114．．．第一線圈
115．．．第一控制電路
116．．．第一共振線圈
117．．．第一共振電容元件
120．．．受電裝置
121．．．第二共振線圈
122．．．第二共振電容元件
123．．．第二線圈
124．．．第二收發電路
125．．．第二匹配電路
126．．．整流電路
127．．．負載
128．．．第二控制電路
129．．．受電電力檢測電路

Claims (20)

  1. 一種無線供電裝置，包含：高頻電源，其被建構來輸出交流信號；第一共振線圈，其被建構來和無線受電裝置的第二共振線圈共振；線圈，其與該第一共振線圈電磁耦合；收發電路，其被建構來產生第一無線信號且解調來自該無線受電裝置的第二無線信號；匹配電路，其被建構來根據該第二無線信號的電力值進行該高頻電源與該線圈之間的阻抗匹配，該電力值是被該無線受電裝置偵測；以及控制電路，其被建構來根據該第二無線信號的電力值產生該第一無線信號的資料信號，該資料信號包括該匹配電路的參數。
  2. 根據申請專利範圍第1項之無線供電裝置，其中該收發電路包括調變從該高頻電源輸出的該交流信號的調變電路。
  3. 根據申請專利範圍第1項之無線供電裝置，其中該匹配電路包括其電容由該控制電路控制的可變電容元件。
  4. 根據申請專利範圍第1項之無線供電裝置，其中該匹配電路包括其電感值由該控制電路控制的可變線圈。
  5. 根據申請專利範圍第1項之無線供電裝置，其中該控制電路包含儲存電路，其被建構來儲存該匹配電路的 該參數。
  6. 一種無線受電裝置，用來接受來自一具有第一共振線圈的無線供電裝置的電力信號，該無線受電裝置包含：整流電路；第二共振線圈，其被建構來和該無線供電裝置的該第一共振線圈共振；線圈，其與該第二共振線圈電磁耦合；收發電路，其被建構來將來自該無線供電裝置的第一無線信號解調並產生第二無線信號；匹配電路，其被建構來根據該第一無線信號的資料信號進行該整流電路與該線圈之間的阻抗匹配，該資料信號包括該匹配電路的參數；以及控制電路，其被建構來產生該第二無線信號的資料，其包括接收自該無線供電裝置的電力值。
  7. 根據申請專利範圍第6項之無線受電裝置，其中該收發電路包括對從該無線供電裝置輸出的交流信號進行負載調變的負載調變元件。
  8. 根據申請專利範圍第6項之無線受電裝置，其中該匹配電路包括其電容由該控制電路控制的可變電容元件。
  9. 根據申請專利範圍第6項之無線受電裝置，其中該匹配電路包括其電感值由該控制電路控制的可變線圈。
  10. 根據申請專利範圍第6項之無線受電裝置，其更包含受電電力檢測電路，其被建構來偵測該無線受電裝置 接收到的該電力值。
  11. 一種可攜式電子裝置，包含如申請專利範圍第6項之無線受電裝置。
  12. 一種無線供電系統，包含：無線供電裝置，包含：高頻電源，其被建構來輸出交流信號；第一共振線圈，其被建構來和第二共振線圈共振；第一線圈，其與該第一共振線圈電磁耦合；第一收發電路，其被建構來產生第一無線信號且解調第二無線信號；第一匹配電路，其被建構來根據該第二無線信號的電力值進行該高頻電源與該第一線圈之間的阻抗匹配，該電力值是被無線受電裝置偵測；以及第一控制電路，其被建構來根據該第二無線信號的電力值產生該第一無線信號的資料信號，該資料信號包括該第一匹配電路的參數，以及該無線受電裝置包含：與該第一共振線圈共振的該第二共振線圈；與該第二共振線圈電磁耦合的第二線圈；整流電路；第二收發電路，其被建構來產生該第二無線信號且調變該第一無線信號；第二匹配電路，其被建構來根據該第一無線信號 的該資料信號進行該整流電路與該第二線圈之間的阻抗匹配；以及第二控制電路，其被建構來產生包括該電力值的該第二無線信號。
  13. 一種無線供電系統，包含：無線供電裝置，包含：高頻電源，其被建構來輸出交流信號；第一共振線圈，其被建構來和第二共振線圈共振；第一線圈，其與該第一共振線圈電磁耦合；第一收發電路，其被建構來產生第一無線信號且解調第二無線信號；第一匹配電路，其被建構來根據該第二無線信號的電力值進行該高頻電源與該第一線圈之間的阻抗匹配，該電力值是被無線受電裝置偵測；以及第一控制電路，其被建構來根據該第二無線信號的該電力值產生該第一無線信號的資料信號，該資料信號包括該第一匹配電路的參數，以及可攜式電子裝置，其包含該無線受電裝置，該無線受電裝置包含：與該第一共振線圈共振的該第二共振線圈；與該第二共振線圈電磁耦合的第二線圈；整流電路；第二收發電路，其被建構來產生該第二無線信號 且調變該第一無線信號；第二匹配電路，其被建構來根據該第一無線信號的該資料信號進行該整流電路與該第二線圈之間的阻抗匹配；以及第二控制電路，其被建構來產生包括該電力值的該第二無線信號。
  14. 根據申請專利範圍第12或13項之無線供電系統，其中該第一收發電路包括調變從該高頻電源輸出的該交流信號的調變電路。
  15. 根據申請專利範圍第12或13項之無線供電系統，其中該第二收發電路包括對從該無線供電裝置輸出的該交流信號進行負載調變的負載調變元件。
  16. 根據申請專利範圍第12或13項之無線供電系統，其中該第一匹配電路的結構與該第二匹配電路的結構相同。
  17. 根據申請專利範圍第16項之無線供電系統，其中該第一匹配電路包括其電容由該第一控制電路控制的可變電容元件，並且該第二匹配電路包括其電容由該第二控制電路控制的可變電容元件。
  18. 根據申請專利範圍第16項之無線供電系統，其中該第一匹配電路包括其電感值由該第一控制電路控制的可變線圈，並且該第二匹配電路包括其電感值由該第二控制電路控制的可變線圈。
  19. 根據申請專利範圍第12或13項之無線供電系 統，其中該第一控制電路包含記憶體電路，其被建構來儲存該第一匹配電路及該第二匹配電路的該參數。
  20. 根據申請專利範圍第12或13項之無線供電系統，其更包含受電電力檢測電路，其被建構來偵測該無線受電裝置接收到的該電力值。
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