TWI542111B - A power supply method of a wireless power transmission device and a wireless power transmission device - Google Patents

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TWI542111B
TWI542111B TW103120099A TW103120099A TWI542111B TW I542111 B TWI542111 B TW I542111B TW 103120099 A TW103120099 A TW 103120099A TW 103120099 A TW103120099 A TW 103120099A TW I542111 B TWI542111 B TW I542111B
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power
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power receiving
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Hisashi Tsuda
Takezo Hatanaka
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Nitto Denko Corp
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Description

無線電力傳送裝置及無線電力傳送裝置之電力供給方法
本發明係關於一種無線電力傳送裝置及無線電力傳送裝置之電力供給方法。
近年來，筆記型PC(Personal Computer，個人電腦)、平板型PC、數位相機、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、記錄器等人可攜帶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，藉由於供電模組與搭載於電子機器之受電模組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。
作為無線電力傳送技術，可列舉藉由利用供電裝置(供電模組)及受電裝置(受電模組)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1)。
例如，藉由利用上述供電模組及受電模組具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁場共振態)使磁場耦合而進行無線電力傳送時，必須以使受電模組靠近供電模組而成為可自供電模組對受電模組供電之距離(可供電區域)的方式配置使用。於此種使用過程中，有如下問題：於供電模組與受電模組不位於可供電區域內之情形時，於供電模組，為準備使受電模組接近配置於可供電區域而始終持續供給電力，從而消 耗多餘之電力(待機電力變大)。
針對該問題，提出有如下應對方法：將某些檢測部(感測器等)設置於供電模組或受電模組，上述檢測部檢測因供電模組與受電模組已配置於可供電區域內而產生之各種變化，將其檢測結果作為觸發點而開始對供電模組供給電力。
例如，記載有如下構成：於專利文獻2之供電系統之供電裝置(供電模組)設置檢測部(電流‧電壓檢測部113)，根據利用該檢測部測定到之電流值、電壓值求出阻抗，將該阻抗之變化(阻抗之增加量等：參照段落[0047]等)與預先設定之閾值進行比較，藉此，判斷供電裝置(供電模組)與2次側機器(受電模組)是否位於可供電區域內。
若確實如上述般設置檢測部而判斷供電模組與受電模組是否位於可供電區域內，則於判斷供電模組與受電模組不位於可供電區域內之情形時，可停止對供電模組供給電力而防止消耗多餘之電力。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2010-239769號公報
[專利文獻2]日本專利特開2013-62895號公報
然而，如上述般新設置檢測部會增加成本，且就供電模組之小型化之方面而言亦不妥。
又，於設置有檢測部之情形時，亦必須隔開特定之時間間隔(間斷地)使檢測部動作，該檢測部之動作需要電力，即便於供電模組與受電模組不位於可供電區域內之情形時亦消耗電力(參照專利文獻2之段落[0044])。
進而，於上述無線電力傳送技術中，於共振器間之共振現象時 於供電裝置及受電裝置具備之共振器周邊產生磁場。其結果，亦有如下問題：於配置於供電裝置或受電裝置之內部或外部之整流器、充電電池、其他電子零件等，因磁場產生渦電流而發熱，對整流器、充電電池或電子零件等造成負面影響。
因此，本發明之目的在於提供一種可抑制產生於供電模組及受電模組之周邊之磁場之強度，並且不設置新的機器便可降低供電模組與受電模組不位於可供電區域內之情形(待機狀態)時之供電模組之消耗電力的無線電力傳送裝置、及無線電力傳送裝置之電力供給方法。
用以解決上述問題之本發明係一種無線電力傳送裝置，其特徵在於，其係使受電模組接近連接於電源之供電模組，而將產生於上述供電模組周邊之磁場與產生於上述受電模組周邊之磁場相互抵消，藉此，於上述供電模組及上述受電模組之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間，並且利用共振現象自供電模組對受電模組供給電力，且 該無線電力傳送裝置係以未形成上述磁場空間之待機狀態下之上述供電模組之輸入阻抗大於形成有上述磁場空間而對上述受電模組供給電力之供電狀態下之上述供電模組及上述受電模組之輸入阻抗的上述電源之電源頻率作動。
根據上述構成，藉由以將產生於供電模組周邊之磁場與產生於受電模組周邊之磁場相互抵消之程度使受電模組接近供電模組，可在供電模組及受電模組之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度之磁場空間。而且，由於未形成磁場空間之待機狀態下之供電模組之輸入阻抗大於形成有磁場空間之供電狀態下之供電模組及受電模組之輸入阻抗，故可相較供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組之消耗電力。
又，用以解決上述問題之本發明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至少包含以特定之共振頻率共振之供電共振器及受電共振器，且利用上述共振現象自上述供電共振器對上述受電共振器供給電力時，以流向上述供電共振器之電流之朝向與流向上述受電共振器之電流之朝向成為相同朝向的方式，將上述電源之電源頻率設定為較上述共振頻率更低頻率側。
於上述構成中，利用共振現象進行電力傳送時，藉由使受電模組接近供電模組，而表示供電共振器與受電共振器之耦合之強度之耦合係數變高。若於耦合係數如此般較高之狀態下解析傳送特性『S21』(成為自供電模組對受電模組輸送電力時之輸電效率之指標之值)，則其解析波形之波峰分離至低頻側與高頻側。
而且，藉由將電源之電源頻率設定為該低頻側之頻率，流向供電共振器之電流之朝向與流向受電共振器之電流之朝向成為相同朝向，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相互抵消，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，從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更小之磁場強度的磁場空間。而且，由於未在供電模組及受電模組之外周側形成磁場空間之待機狀態下之供電模組之輸入阻抗大於在供電模組及受電模組之外周側形成有磁場空間之供電狀態下之供電模組及受電模組之輸入阻抗，故可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組之消耗電力。
又，用以解決上述問題之本發明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至少包含以特定之共振頻率共振之供電共振器及受電共振器， 利用上述共振現象自上述供電共振器對上述受電共振器供給電 力時，以流向上述供電共振器之電流之朝向與流向上述受電共振器之電流之朝向成為相反朝向的方式，將上述電源之電源頻率設定為較上述共振頻率更高頻率側。
於上述構成中，利用共振現象進行電力傳送時，藉由使受電模組接近供電模組，而表示供電共振器與受電共振器之耦合之強度之耦合係數變高。若於耦合係數如此般較高之狀態下解析傳送特性『S21』(成為自供電模組對受電模組輸送電力時之輸電效率之指標之值)，則其解析波形之波峰分離至低頻側與高頻側。
而且，藉由將電源之電力頻率設定為該高頻側之頻率，流向供電共振器之電流之朝向與流向受電共振器之電流之朝向成為相反朝向，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相互抵消，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，從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更小之磁場強度的磁場空間。而且，由於未在供電模組及受電模組之內周側形成磁場空間之待機狀態下之供電模組之輸入阻抗大於在供電模組及受電模組之內周側形成有磁場空間之供電狀態下之供電模組及受電模組之輸入阻抗，故可相較供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組之消耗電力。
又，用以解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置，其特徵在於，上述供電模組具備供電線圈、供電共振器、及受電共振器，上述受電模組具備受電線圈。
根據上述構成，可將待機狀態下之供電模組之輸入阻抗構成為包含供電線圈、供電共振器、及受電共振器之供電模組之輸入阻抗。
據此，供電模組至少包括供電線圈、供電共振器、及受電共振器之3個要素，因此，用以決定供電模組之輸入阻抗之要素變多。而且，用以決定供電模組之輸入阻抗之要素變多，則用以決定相對於電 源之電源頻率之供電模組之輸入阻抗之關係之要素亦變多，因此，可提高供電模組之設計自由度。
又，由於將受電模組設為包含受電線圈之構成，故可實現受電模組之精簡化。
又，用以解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置，其特徵在於，上述供電模組具備供電線圈、及供電共振器，上述受電模組具備受電共振器、及受電線圈。
根據上述構成，可將待機狀態下之供電模組之輸入阻抗構成為包含供電線圈及供電共振器之供電模組之輸入阻抗。
據此，供電模組至少包括供電線圈及供電共振器之2個要素，因此，用以決定供電模組之輸入阻抗之要素變多。而且，用以決定供電模組之輸入阻抗之要素變多，則用以決定相對於電源之電源頻率之供電模組之輸入阻抗之關係之要素亦變多，因此，可提高供電模組之設計自由度。
又，由於將受電模組設為包含受電線圈之構成，故可實現受電模組之精簡化。
又，用以解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置，其特徵在於，上述供電模組具備供電線圈，上述受電模組具備供電共振器、受電共振器、及受電線圈。
根據上述構成，可將待機狀態下之供電模組之輸入阻抗構成為供電線圈之輸入阻抗。
據此，供電模組主要包括供電線圈之1個要素，因此，能夠使用以決定供電模組之輸入阻抗之要素單一化。而且，能夠使用以決定供電模組之輸入阻抗之要素單一化，則亦能夠使用以決定相對於電源之電源頻率之供電模組之輸入阻抗之關係之要素單一化，因此，可謀求供電模組之設計之簡化。
又，用以解決上述問題之本發明係一種無線電力傳送裝置之電力供給方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置係使受電模組接近連接於電源之供電模組，而將產生於上述供電模組周邊之磁場與產生於上述受電模組周邊之磁場相互抵消，藉此，於上述供電模組及上述受電模組之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間，並且利用共振現象自供電模組對受電模組供給電力，且 該電力供給方法係將上述電源之電源頻率調整為未形成上述磁場空間之待機狀態下之上述供電模組之輸入阻抗大於形成有上述磁場空間而對上述受電模組供給電力之供電狀態下之上述供電模組及上述受電模組之輸入阻抗的帶域。
根據上述方法，藉由以將產生於供電模組周邊之磁場與產生於受電模組周邊之磁場相互抵消之程度使受電模組接近供電模組，可於供電模組及受電模組之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度之磁場空間。而且，由於未形成磁場空間之待機狀態下之供電模組之輸入阻抗大於形成有磁場空間之供電狀態下之供電模組及受電模組之輸入阻抗，故可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組之消耗電力。
本發明可提供一種能夠抑制產生於供電模組及受電模組之周邊之磁場之強度，並且不設置新的機器便可降低供電模組與受電模組不位於可供電區域內之情形(待機狀態)時之供電模組之消耗電力的無線電力傳送裝置、及無線電力傳送裝置之電力供給方法。
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
10‧‧‧被供電機器
11‧‧‧可變電阻器
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
22A‧‧‧電流之朝向
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
32A‧‧‧電流之朝向
51‧‧‧虛線
52‧‧‧實線
101‧‧‧充電器
102‧‧‧無線式頭戴型耳機
102a‧‧‧耳機揚聲器部
110‧‧‧網路分析儀
111‧‧‧輸出端子
112‧‧‧輸入端子
A1‧‧‧帶域
a1‧‧‧帶域
A2‧‧‧帶域
a2‧‧‧帶域
A3‧‧‧帶域
B1‧‧‧帶域
b1‧‧‧帶域
B2‧‧‧帶域
b2‧‧‧帶域
C1‧‧‧帶域
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧帶域
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
D1‧‧‧帶域
D2‧‧‧帶域
d12‧‧‧距離
d23‧‧‧距離
d34‧‧‧距離
E1‧‧‧帶域
E2‧‧‧帶域
E3‧‧‧帶域
F1‧‧‧帶域
I1‧‧‧電流
I2‧‧‧電流
I3‧‧‧電流
I4‧‧‧電流
L1‧‧‧線圈
L2‧‧‧線圈
L3‧‧‧線圈
L4‧‧‧線圈
M12‧‧‧互感
M23‧‧‧互感
M34‧‧‧互感
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
RL‧‧‧電阻器
S21‧‧‧傳送特性
Zin‧‧‧輸入阻抗
ZL‧‧‧阻抗
Z1、Z2‧‧‧磁場空間
圖1係搭載有供電模組之充電器、及搭載有受電模組之無線式頭戴型耳機之說明圖。
圖2係待機狀態下之供電模組及受電模組之說明圖。
圖3係利用等效電路表示供電狀態下之供電模組及受電模組之說明圖。
圖4係說明磁場空間之形成場所之說明圖。
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係表示相對於電源頻率之傳送特性『S21』之關係之曲線圖。
圖7(A)係同相共振模式之說明圖。(B)係同相共振模式下之磁場向量圖。
圖8(A)係自側面觀察同相共振模式下之供電模組及受電模組所得的磁場強度分佈。(B)係圖8(A)之供電模組及受電模組之A-A剖面圖。
圖9(A)係逆相共振模式之說明圖。(B)係逆相共振模式下之磁場向量圖。
圖10(A)係自側面觀察逆相共振模式下之供電模組及受電模組所得的磁場強度分佈。(B)係圖10(A)之供電模組及受電模組之B-B剖面圖。
圖11係利用等效電路表示實施例1-1之供電模組之說明圖。
圖12係表示實施例1-1之解析結果之圖表。
圖13係利用等效電路表示實施例1-2之供電模組之說明圖。
圖14係表示實施例1-2之解析結果之圖表。
圖15係利用等效電路表示實施例1-3之供電模組之說明圖。
圖16係表示實施例1-3之解析結果之圖表。
圖17係利用等效電路表示實施例2-1之供電模組之說明圖。
圖18係表示實施例2-1之解析結果之圖表。
圖19係利用等效電路表示實施例2-2之供電模組之說明圖。
圖20係表示實施例2-2之解析結果之圖表。
圖21係利用等效電路表示實施例2-3之供電模組之說明圖。
圖22係表示實施例2-3之解析結果之圖表。
圖23係說明搭載有供電模組之充電器、及搭載有受電模組之無線式頭戴型耳機之設計方法的流程圖。
以下，對作為本發明之用於無線電力傳送之無線電力傳送裝置1、及無線電力傳送裝置1之電力供給方法之實施形態進行說明。
(實施形態)
首先，於本實施形態中，以如圖1所示具備供電模組2之充電器101、及具備受電模組3之無線式頭戴型耳機102為例，對實現無線電力傳送之以供電模組2及受電模組3為主要之構成要素之無線電力傳送裝置1進行說明。
(充電器101及無線式頭戴型耳機102之構成)
如圖1所示，充電器101具備包含供電線圈21及供電共振器22之供電模組2。又，無線式頭戴型耳機102具備耳機揚聲器部102a、包含受電線圈31及受電共振器32之受電模組3。而且，於供電模組2之供電線圈21連接有具備將供給至供電模組2之電力之電源頻率設定為特定值之振盪電路的交流電源6，且於受電模組3之受電線圈31經由使受電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。再者，於圖1中，為了便於說明，而將穩定電路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。又，本實施形態中之穩定電路7、充電電路8、及充電電池9如圖1所示係成為最終之電力之供電目標之被供電機器10，被供電機器10係連接於受電模組3之電力之供電目標之機器全體之總稱。又，將供電模組2及受電模組3設為無線電力傳送裝置1。
又，雖未圖示，但充電器101中設置有用以收納無線式頭戴型耳機102之切合無線式頭戴型耳機102之形狀的收納槽，藉由將無線式頭戴型耳機102收納至該充電器101之收納槽，能夠以充電器101具備之供電模組2與無線式頭戴型耳機102具備之受電模組3對向配置的方式將無線式頭戴型耳機102定位。
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的作用。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部分係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。又，將構成供電線圈21之電路元件所具有之合計阻抗設為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。又，將流至供電線圈21之電流設為I1。
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部分係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。又，將構成受電線圈31之電路元件所具有之合計阻抗設為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，將連接於受電線圈31之被供電機器10之合計阻抗設為ZL，但於本實施形態中，如圖3所示，為方便起見，而將連接於受電線圈31之穩定電路7、充電電路8及充電電池9(被供電機器10)之各負荷阻抗合起來作為電阻器RL(相當於ZL)。又，將流至受電線圈31之電流設為I4。
如圖3所示，供電共振器22構成為以電阻器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帶中共振。又，將構成供電共振器22之電路元件所具有之合計阻抗設為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)所具有的合計之阻抗設為Z2。又，將構成受電共振器32之電路元件所具有之合計阻抗設為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)所具有的合計之阻抗設為Z3。又，將流至供電共振器22之電流設為I2，將流至受電共振器32之電流設為I3。
又，於供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31中之作為共振電路之RLC電路中，若將電感設為L，並將電容器電容設為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、受電共振器32、及受電線圈31之共振頻率係設為1.0MHz。
又，供電共振器22及受電共振器32係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。又，如上所述，供電共振器22及受電共振器32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，於供電模組2及受電模組3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、製造階段等設定為可變更之參數。
根據上述供電模組2及受電模組3，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，而將電力自具備供電模組2之充電器101無線傳送至具備受電模組3之無線式頭戴型耳機102，對設置於無線式頭戴型耳機102內之充電電池9進行充電。
(形成磁場強度減弱之磁場空間)
於本實施形態中，為了抑制產生於供電模組2及受電模組3之周邊之磁場之強度，而形成磁場強度減弱之磁場空間。具體而言，如圖4所示，利用共振現象自供電模組2之供電共振器22對受電模組3之受 電共振器32供給電力時，於供電共振器22與受電共振器32之間之理想位置，形成磁場強度較該理想位置以外之磁場強度更小之磁場空間Z1或磁場空間Z2。此處，所謂理想位置，雖然詳細情況將於下文進行敍述，但係指供電模組2之線圈(供電共振器22)或受電模組3之線圈(受電共振器32)之內周側之空間(磁場空間Z2)或外周側之空間(磁場空間Z1)。
(形成磁場空間之場所)
如圖5所示，將組入上述充電器101及無線式頭戴型耳機102之無線電力傳送裝置1(供電模組2及受電模組3)連接於網路分析儀110(本實施形態中，使用安捷倫科技股份有限公司製造之E5061B)，對形成磁場空間之場所進行說明。又，測定磁場空間時，使用電磁場解析進行解析，並藉由以色調表示磁場強度而進行測定。
首先，使用網路分析儀110，一面改變供給至供電模組2之交流電力之電源頻率一面對傳送特性『S21』進行解析。此時，如圖6之曲線圖所示，將橫軸設為自輸出端子111輸出之交流電力之電源頻率，並將縱軸設為傳送特性『S21』而進行解析。
再者，所謂傳送特性『S21』，係表示於供電模組2及受電模組3連接網路分析儀110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。又，所謂電力傳送效率，係指將無線電力傳送裝置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之電力的比率。即，傳送特性『S21』越高，則意味著電力傳送效率越高。
於本實施形態中，如圖6所示，設定為解析所得之傳送特性『S21』之解析波形(圖6之實線52)具有波峰分離至低頻側與高頻側之雙峰性之性質。再者，將分離之波峰中高頻側之頻率表示為fH，將低頻側之頻率表示為fL。
此處，相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之電源頻率之傳送特性『S21』，根據供電模組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，而分為具有單峰性之性質者與具有雙峰性之性質者。而且，所謂單峰性，係指相對於電源頻率之傳送特性『S21』之波峰為一個且此波峰於共振頻帶(f0)出現(參照圖6之虛線51)。另一方面，所謂雙峰性，係指相對於電源頻率之傳送特性『S21』之波峰有兩個且此兩個波峰於低於共振頻率之電源頻帶(fL)與高於共振頻率之電源頻帶(fH)出現(參照本實施形態之解析結果之圖6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連接供電模組2及受電模組3而測量之反射特性『S11』具有兩個波峰之狀態。因此，即便相對於電源頻率之傳送特性『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。
若假設設定為具有單峰性之性質，則如圖6之虛線51所示，電源頻率在共振頻率f0之帶域時供電模組2及受電模組3之傳送特性『S21』最大化(電力傳送效率最大化)。
另一方面，如本實施形態般具有雙峰性之性質之供電模組2及受電模組3中，如圖6之實線52所示，傳送特性『S21』係於低於共振頻率f0之電源頻帶(fL)與高於共振頻率f0之電源頻帶(fH)最大化。再者，一般而言，若供電共振器22與受電共振器32之間之距離相同，則雙峰性之傳送特性『S21』之最大值(在fL或fH之傳送特性『S21』之值)成為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。
再者，於本實施例中，以解析所得之傳送特性『S21』之解析波形之波峰分離至低頻側與高頻側的程度將供電共振器22與受電共振器32接近配置即可。又，為了使無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』 具有雙峰性之性質，係藉由設定供電線圈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、耦合係數k12、k23、k34、線圈間距離d12、d23、d34等構成供電模組2及受電模組3之可變更之參數而實現。
而且，於傳送特性『S21』之解析波形表現雙峰性之情形時，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為低於共振頻率f0之頻帶之情形時，供電共振器22及受電共振器32為同相位且成為共振狀態，如圖7(A)所示，流向供電共振器22之電流之朝向(22A)與流向受電共振器32之電流之朝向(32A)成為相同朝向。其結果，如圖7(B)之磁場向量圖所示，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之外周側之磁場相互抵消，藉此，於供電共振器22及受電共振器32之外周側，磁場所致之影響減少，從而可形成具有較供電共振器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之內周側之磁場強度)小之磁場強度的磁場空間Z1。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，於同相共振模式下，傳送特性『S21』之解析波形表現雙峰性之情形時，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為低於共振頻率f0之頻帶定義為廣義之同相共振模式(參照圖6)，進而，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為『S21』之解析波形之於低於共振頻率f0之頻帶出現之波峰(fL)附近(『S21』之值大致成為-10dB以上之範圍)之頻帶定義為狹義之同相共振模式(參照圖6)。再者，於狹義之同相共振模式下，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為『S21』之解析波形之於低於共振頻率f0之頻帶出現之波峰(fL)定義為最狹義之同相共振模式。
針對上述最狹義之同相共振模式下之供電共振器22及受電共振器32周邊之磁場強度分佈將使用電磁場解析進行解析並以色調表示磁場強度所得之解析結果示於圖8(A)(B)。根據該圖8(A)(B)之磁場強度分佈，於供電共振器22及受電共振器32之外周側，磁場所致之影響亦減少，亦可確認到具有相對較小之磁場強度之磁場空間Z1。再者，圖8(A)係自側面觀察供電模組2及受電模組3所得之磁場強度分佈，圖8(B)係圖8(A)之供電模組2及受電模組3之A-A剖面圖。
另一方面，於傳送特性『S21』之解析波形表現雙峰性之情形時，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為高於共振頻率f0之頻帶之情形時，供電共振器22及受電共振器32為逆相位且成為共振狀態，如圖9(A)所示，流向供電共振器22之電流之朝向(22A)與流向受電共振器32之電流之朝向(32A)成為相反朝向。其結果，如圖9(B)之磁場向量圖所示，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之內周側之磁場相互抵消，藉此，於供電共振器22及受電共振器32之內周側，磁場所致之影響減少，從而可形成具有較供電共振器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之外周側之磁場強度)小之磁場強度的磁場空間Z2。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，於逆相共振模式下，傳送特性『S21』之解析波形表現雙峰性之情形時，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為高於共振頻率f0之頻帶定義為廣義之逆相共振模式(參照圖6)，進而，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為『S21』之解析波形之於高於共振頻率f0之頻帶出現之波峰(fH)附近(『S21』之值大致成為-10dB以上之範圍)之頻帶定義為狹義之逆相共振模式(參照圖6)。再者，於狹義之逆相共振模式下，將供給至 供電模組2之交流電力之電源頻率設定為『S21』之解析波形之於高於共振頻率f0之頻帶出現之波峰(fH)設為最狹義之逆相共振模式。
針對上述最狹義之逆相共振模式下之供電共振器22及受電共振器32周邊之磁場強度分佈將使用電磁場解析進行解析並以色調表示磁場強度所得之解析結果示於圖10(A)(B)。根據該圖10(A)(B)之磁場強度分佈，於供電共振器22及受電共振器32之內周側，磁場所致之影響亦減少，亦可確認到具有相對較小之磁場強度之磁場空間Z2。再者，圖10(A)係自側面觀察供電模組2及受電模組3所得之磁場強度分佈，圖10(B)係圖10(A)之供電模組2及受電模組3之B-B剖面圖。
根據上述說明，關於無線電力傳送裝置1(供電模組2及受電模組3)，相對於電源頻率之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質，利用共振現象自供電共振器22對受電共振器32供給電力時，將供給至供電模組2之交流電力之電源頻率設定為同相共振模式，藉此，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，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之外周側之磁場相互抵消，藉此，於供電共振器22及受電共振器32之外周側，磁場所致之影響減少，從而可形成具有較供電共振器22及受電共振器32之外周側以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間Z1。
而且，於該磁場空間Z1收納有期望減少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。
又，如上述般，關於無線電力傳送裝置1(供電模組2及受電模組3)，相對於電源頻率之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質，利用共振現象自供電共振器22對受電共振器32供給電力時，將供給至供電模組2之交流電力之頻率設定為逆相共振模式，藉此，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，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之內周側之磁場相互抵消，藉此，於供電共振器22及受電共振器32之內周側，磁場所致之影響減少，從而可形成具有較供電共振器22及受電共振器32之內周側以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間Z2。
而且，於該磁場空間Z2收納有期望減少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。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供電模組2及受電模組3自身之精簡化、設計自由度。
(待機狀態之輸入阻抗與供電狀態之輸入阻抗之關係)
首先，對本實施形態之無線電力傳送裝置1中之供電狀態及待機狀態之概念進行說明。如圖1及圖3所示，將自供電模組2對受電模組3供給電力之狀態設為供電狀態。該供電狀態亦可稱為供電模組2及受電模組3具備之供電共振器22與受電共振器32產生磁場共振態時。又，供電狀態亦為供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23以某種程度接近配置之情形(可供電區域)時成立的狀態。又，該供電狀態亦可稱為形成有上述磁場空間(Z1或Z2)之狀態。又，於本實施形態中，對無線式頭戴型耳機102中之充電電池9進行充電之狀態可稱為供電狀態。
另一方面，如圖2所示，將未自供電模組2對受電模組3供給電力之狀態設為待機狀態。該待機狀態亦可稱為供電模組2及受電模組3具備之供電共振器22與受電共振器32不產生磁場共振態時。又，待機狀態亦為供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23處於不產生上述 磁場共振態之程度之配置關係之情形時成立的狀態。又，該待機狀態亦可稱為未形成上述磁場空間(Z1或Z2)之狀態。又，於本實施形態中，對無線式頭戴型耳機102中之充電電池9進行充電之狀態可稱為待機狀態。
接下來，根據上述待機狀態、及供電狀態之概念，說明用以降低待機狀態下之供電模組2之消耗電力的與供電模組2及受電模組3相關之待機狀態之輸入阻抗與供電狀態之輸入阻抗之關係。
首先，對在利用無線電力傳送之電力傳送中使待機狀態下之消耗電力降低的必要性進行說明。如上所述，藉由利用供電模組2及受電模組3具備之供電共振器22與受電共振器32之間之共振現象(磁場共振態)使磁場耦合而進行無線電力傳送時，必須以使受電模組3靠近供電模組2而成為可自供電模組2對受電模組3供電之距離(可供電區域)的方式配置使用。於此種使用過程中，供電模組2與受電模組3不位於可供電區域內之情形(待機狀態)時，於供電模組2，成為為準備使受電模組3接近配置於可供電區域(供電狀態)而始終持續供給電力的狀態。
如此一來，待機狀態下之供電模組2之消耗電力浪費。
另一方面，於待機狀態下，必須持續對供電模組2供給電力，使得當受電模組3接近配置於可供電區域時可立即轉變為供電狀態。
如此一來，要求待機狀態下之消耗電力相較於供電狀態下之消耗電力得到抑制。
因此，為了相較於供電狀態下之消耗電力而抑制待機狀態下之消耗電力，由於消耗電力P可根據下述(式2)計算，故可知使待機狀態下之輸入阻抗Zin之值大於供電狀態下之輸入阻抗Zin之值即可。再者，由於藉由交流電源6施加至供電模組2之電壓V(有效值)保持為固定，故電壓V不設為可變要素。
因此，本實施形態之供電模組2設定為待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin，藉由以待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻率作動而實現。而且，藉由如此般構成，待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin，因此，可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組2之消耗電力。
以下，表示實施例而進行說明。於以下之實施例中，使用具有多種構成之供電模組2及受電模組3，對待機狀態(斷開(OFF))下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin及供電狀態(接通(ON))下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin進行測定。再者，於實施例中，代替穩定電路7、充電電路8、及充電電池9而連接可變電阻器11(R1)進行測定。
又，於實施例1-1~實施例2-3中，係以供電狀態下之相對於供給至供電模組2及受電模組3之電力之電源頻率之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質而進行解析。
(實施例1-1)
如圖11所示，實施例1-1之供電模組2構成為具備供電線圈21及供電共振器22。另一方面，受電模組3構成為具備受電共振器32及受電線圈31。而且，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串聯電路(有共振)，線圈L1部分係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。同 樣地，受電線圈31亦構成為以電阻器R4、線圈L4、及電容器C4為要素之RLC串聯電路，線圈L4部分係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。又，供電共振器22構成為以電阻器R2、線圈L2、及電容器C2為要素之RLC串聯電路，線圈L2部分係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。又，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串聯電路，線圈L3部分係將線徑0.4mm之銅線材(具絕緣被膜)捲繞18次而成的線圈徑15mm之螺線管線圈。而且，將實施例1-1中之R1、R2、R3、R4之值分別設定為0.5Ω。又，將L1、L2、L3、L4之值分別設定為4.5μH。又，被供電機器10之RL為100Ω。又，供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31之共振頻率為1.0MHz。又，各耦合係數k12、k23、k34為0.3(再者，係供電狀態下之耦合係數之值)。
於待機狀態下，如圖11所示，將構成供電模組2之供電線圈21及供電共振器22之輸入阻抗設為Zin。又，如圖3所示，於供電狀態下，將構成供電模組2之供電線圈21、供電共振器22、及構成受電模組3之受電共振器32、受電線圈31之輸入阻抗設為Zin。
將實施例1-1中之與供電模組2及受電模組3相關的待機狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖12之虛線)及供電狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖12之實線)之測定結果示於圖12。若觀察圖12，則可知如下情況：待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin(圖12之虛線)大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin(圖12之實線)的電源頻帶有約0.78~0.84MHz之帶域A1、約0.92~1.09MHz之帶域A2、及約1.28~1.5(測定上限)MHz之帶域A3之3個帶域。
又，如上所述，於本實施例中，於供電模組2及受電模組3之周邊形成磁場空間(Z1、Z2)亦設為目的之一。具體而言，於實施例1-1 中，形成磁場空間Z1時設定的成為狹義之同相共振模式之電源頻帶係0.83MHZ以上且未達1.00MHz之帶域a1(參照圖12)。另一方面，形成磁場空間Z2時設定的成為狹義之逆相共振模式之電源頻帶係大於1.00MHz且為1.37MHz以下之帶域a2(參照圖12)。
根據上述說明，於實施例1-1中，形成磁場空間Z1並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為0.83~0.84MHz之帶域、及0.92MHz以上且未達1.00MHz之帶域。由此，使用實施例1-1之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z1之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為0.83~0.84MHz之帶域或0.92MHz以上且未達1.00MHz之帶域而進行使用。又，形成磁場空間Z2並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為大於1.00MHz且為1.09MHz以下之帶域、及1.28~1.37MHz之帶域。由此，使用實施例1-1之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z2之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為大於1.00MHz且為1.09MHz以下之帶域或1.28~1.37MHz之帶域而進行使用。
(實施例1-2)
如圖13所示，實施例1-2之供電模組2構成為具備供電線圈21、供電共振器22、及受電共振器32。另一方面，受電模組3構成為具備受電線圈31。再者，供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31各自之構成係與實施例1-1相同。
於待機狀態下，如圖13所示，將構成供電模組2之供電線圈21、供電共振器22、及受電共振器32之輸入阻抗設為Zin。又，如圖3所示，於供電狀態下，將構成供電模組2之供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及構成受電模組3之受電線圈31之輸入阻抗設為 Zin。
將實施例1-2中之與供電模組2及受電模組3相關的待機狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖14之虛線)及供電狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖14之實線)之測定結果示於圖14。若觀察圖14，則可知如下情況：待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin(圖14之虛線)大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin(圖14之實線)的電源頻帶有約0.87~0.89MHz之帶域B1、及約1.14~1.22MHz之帶域B2之2個帶域。
又，如上所述，於本實施例中，於供電模組2及受電模組3之周邊形成磁場空間(Z1、Z2)亦設為目的之一。實施例1-2亦與實施例1-1同樣地，形成磁場空間Z1時設定的成為狹義之同相共振模式之電源頻帶係0.83MHZ以上且未達1.00MHz之帶域a1(參照圖14)。另一方面，形成磁場空間Z2時設定的成為狹義之逆相共振模式之電源頻帶係大於1.00MHz且為1.37MHz以下之帶域a2(參照圖14)。
根據上述說明，於實施例1-2中，形成磁場空間Z1並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為0.87~0.89MHz之帶域。由此，使用實施例1-2之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z1之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為0.87~0.89MHz而進行使用。又，形成磁場空間Z2並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為1.14~1.22MHz之帶域。由此，使用實施例1-2之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z2之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為1.14~1.22MHz而進行使用。
(實施例1-3)
如圖15所示，實施例1-3之供電模組2構成為具備供電線圈21。另 一方面，受電模組3構成為具備供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31。再者，供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31各自之構成係與實施例1-1相同。
於待機狀態下，如圖15所示，將構成供電模組2之供電線圈21之輸入阻抗設為Zin。又，如圖3所示，於供電狀態下，將構成供電模組2之供電線圈21、及構成受電模組3之供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之輸入阻抗設為Zin。
將實施例1-3中之與供電模組2及受電模組3相關的待機狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖16之虛線)及供電狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖16之實線)之測定結果示於圖16。若觀察圖16，則可知如下情況：待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin(圖16之虛線)大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin(圖16之實線)的電源頻帶有約0.60~0.85MHz之帶域C1、及約1.25~1.5(測定上限)MHz之帶域C2之2個帶域。
又，如上所述，於本實施例中，於供電模組2及受電模組3之周邊形成磁場空間(Z1、Z2)亦設為目的之一。實施例1-3亦與實施例1-1同樣地，形成磁場空間Z1時設定的成為狹義之同相共振模式之電源頻帶係0.83MHZ以上且未達1.00MHz之帶域a1(參照圖16)。另一方面，形成磁場空間Z2時設定的成為狹義之逆相共振模式之電源頻帶係大於1.00MHz且為1.37MHz以下之帶域a2(參照圖16)。
根據上述說明，於實施例1-3中，形成磁場空間Z1並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為0.83~0.85MHz之帶域。由此，使用實施例1-3之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z1之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為0.83~0.85MHz而進行使用。又，形成磁場空間Z2並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大 於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為1.25~1.37MHz之帶域。由此，使用實施例1-3之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z2之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為1.25~1.37MHz而進行使用。
(實施例2-1)
實施例2-1~實施例2-3係與實施例1-1~實施例1-3不同，構成包含於供電模組2之供電線圈21之RLC電路(電阻器R1、線圈L1、及電容器C1)之電容器C1如圖17、圖19、圖21所示並聯連接。
如圖17所示，實施例2-1之供電模組2構成為具備供電線圈21及供電共振器22。另一方面，受電模組3構成為具備受電共振器32及受電線圈31。而且，如上所述，供電線圈21係以電阻器R1、線圈L1、及電容器C1為要素之RLC電路，且並聯連接有電容器C1。再者，其他構成與實施例1-1相同。
於待機狀態下，如圖17所示，將構成供電模組2之供電線圈21及供電共振器22之輸入阻抗設為Zin。又，於供電狀態下，將構成供電模組2之供電線圈21、供電共振器22、及構成受電模組3之受電共振器32、受電線圈31之輸入阻抗設為Zin。
將實施例2-1中之與供電模組2及受電模組3相關的待機狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖18之虛線)及供電狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖18之實線)之測定結果示於圖18。若觀察圖18，則可知如下情況：待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin(圖18之虛線)大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin(圖18之實線)的電源頻帶有約0.84~0.93MHz之帶域D1、及約1.12~1.30MHz之帶域D2之2個帶域。
又，如上所述，於本實施例中，於供電模組2及受電模組3之周邊形成磁場空間(Z1、Z2)亦設為目的之一。具體而言，於實施例2-1 中，形成磁場空間Z1時設定的成為狹義之同相共振模式之電源頻帶係0.83MHZ以上且未達1.00MHz之帶域b1(參照圖18)。另一方面，形成磁場空間Z2時設定的成為狹義之逆相共振模式之電源頻帶係大於1.00MHz且為1.43MHz以下之帶域b2(參照圖18)。
根據上述說明，於實施例2-1中，形成磁場空間Z1並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為0.84~0.93MHz之帶域。由此，使用實施例2-1之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z1之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為0.84~0.93MHz而進行使用。又，形成磁場空間Z2並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為1.12~1.30MHz之帶域。由此，使用實施例2-1之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z2之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為1.12~1.30MHz而進行使用。
(實施例2-2)
如圖19所示，實施例2-2之供電模組2構成為具備供電線圈21、供電共振器22、及受電共振器32。另一方面，受電模組3構成為具備受電線圈31。再者，供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31各自之構成係與實施例2-1相同。
於待機狀態下，如圖19所示，將構成供電模組2之供電線圈21、供電共振器22、及受電共振器32之輸入阻抗設為Zin。又，於供電狀態下，將構成供電模組2之供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及構成受電模組3之受電線圈31之輸入阻抗設為Zin。
將實施例2-2中之與供電模組2及受電模組3相關的待機狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖20之虛線)及供電狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖20之實線)之測定結果示於圖20。若觀察圖 20，則可知如下情況：待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin(圖20之虛線)大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin(圖20之實線)的電源頻帶有約0.83~0.84MHz之帶域E1、約0.98~1.02MHz之帶域E2、及約1.30~1.35MHz之帶域E3之3個帶域。
又，如上所述，於本實施例中，於供電模組2及受電模組3之周邊形成磁場空間(Z1、Z2)亦設為目的之一。實施例2-2亦與實施例2-1同樣地，形成磁場空間Z1時設定的成為狹義之同相共振模式之電源頻帶係0.83MHZ以上且未達1.00MHz之帶域b1(參照圖20)。另一方面，形成磁場空間Z2時設定的成為狹義之逆相共振模式之電源頻帶係大於1.00MHz且為1.43MHz以下之帶域b2(參照圖20)。
根據上述說明，於實施例2-2中，形成磁場空間Z1並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為0.83~0.84MHz之帶域、及0.98MHz以上且未達1.00MHz之帶域。由此，使用實施例2-2之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z1之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為0.83~0.84MHz之帶域或0.98MHz以上且未達1.00MHz之帶域而進行使用。又，形成磁場空間Z2並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為大於1.00MHz且為1.02MHz以下之帶域、及1.30~1.35MHz之帶域。由此，使用實施例2-2之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z2之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為大於1.00MHz且為1.02MHz以下之帶域或1.30~1.35MHz之帶域而進行使用。
(實施例2-3)
如圖21所示，實施例2-3之供電模組2構成為具備供電線圈21。另一方面，受電模組3構成為具備供電共振器22、受電共振器32、及受 電線圈31。再者，供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31各自之構成係與實施例2-1相同。
於待機狀態下，如圖21所示，將構成供電模組2之供電線圈21之輸入阻抗設為Zin。又，於供電狀態下，將構成供電模組2之供電線圈21、及構成受電模組3之供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之輸入阻抗設為Zin。
將實施例2-3中之與供電模組2及受電模組3相關的待機狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖22之虛線)及供電狀態下之相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(圖22之實線)之測定結果示於圖22。若觀察圖22，則可知如下情況：待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin(圖22之虛線)大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin(圖22之實線)的電源頻帶有約0.86~1.28MHz之帶域F1。
又，如上所述，於本實施例中，於供電模組2及受電模組3之周邊形成磁場空間(Z1、Z2)亦設為目的之一。實施例2-3亦與實施例2-1同樣地，形成磁場空間Z1時設定的成為狹義之同相共振模式之電源頻帶係0.83MHZ以上且未達1.00MHz之帶域b1(參照圖22)。另一方面，形成磁場空間Z2時設定的成為狹義之逆相共振模式之電源頻帶係大於1.00MHz且為1.43MHz以下之帶域b2(參照圖22)。
根據上述說明，於實施例2-3中，形成磁場空間Z1並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為0.86MHz以上且未達1.00MHz之帶域。由此，使用實施例2-3之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z1之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為0.86MHz以上且未達1.00MHz之帶域而進行使用。又，形成磁場空間Z2並且使待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的電源頻帶成為大於1.00MHz且為1.28MHz以下 之帶域。由此，使用實施例2-3之無線電力傳送裝置1時，於欲形成磁場空間Z2之情形時，將交流電源6之電源頻帶設定為大於1.00MHz且為1.28MHz以下之帶域而進行使用。
如上述實施例1-1~實施例2-3中所說明般，根據上述構成，藉由以將產生於供電模組2周邊之磁場與產生於受電模組3周邊之磁場相互抵消之程度使受電共振器32接近供電共振器22，可於供電模組2及受電模組3之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間Z1、Z2。而且，未形成磁場空間Z1、Z2之待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於形成有磁場空間Z1、Z2之供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin，因此，可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組2之消耗電力。
再者，作為以待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin之方式設定供電模組2及受電模組3的要素(參數)，可列舉供電線圈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、耦合係數k12、k23、k34、負荷阻抗(負荷電阻)等設定值。又，使供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之RLC電路串聯或並聯或者不連接電容器，亦成為上述要素(參數)。又，是否將供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32之任一個加入至供電模組2，亦成為上述要素(參數)。
又，於上述構成中，利用共振現象進行電力傳送時，藉由使受電共振器32接近供電共振器22，而表示供電共振器22與受電共振器32之耦合之強度之耦合係數變高。若於耦合係數如此般較高之狀態下測量傳送特性『S21』，則其解析波形之波峰分離至低頻側與高頻側(雙 峰性)。
而且，藉由將交流電源6之電源頻率設定為該低頻側之頻帶(fL)(同相共振模式)，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，產生於供電模組2之外周側之磁場與產生於受電模組3之外周側之磁場相互抵消，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，從而可形成具有較供電模組2及受電模組3之外周側以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間Z1。而且，未在供電模組2及受電模組3之外周側形成磁場空間Z1之待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於在供電模組2及受電模組3之外周側形成磁場空間Z1之供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin，因此，可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組2之消耗電力。
又，於上述構成中，利用共振現象進行電力傳送時，藉由使受電共振器32接近供電共振器22，而表示供電共振器22與受電共振器32之耦合之強度之耦合係數變高。若於耦合係數如此般較高之狀態下測量傳送特性『S21』，則其解析波形之波峰分離至低頻側與高頻側(雙峰性)。
而且，藉由將交流電源6之電力頻率設定為該高頻側之頻帶(fH)(逆相共振模式)，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，產生於供電模組2之內周側之磁場與產生於受電模組3之內周側之磁場相互抵消，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，從而可形成具有較供電模組2及受電模組3之內周側以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間Z2。而且，未在供電模組2及受電模組3之內周側形成磁場空間Z2之待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於在供電模組2及受電模組3之內周側形成磁場空間Z2之供電狀態下之供電模組2及受電模組 3之輸入阻抗Zin，因此，可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組2之消耗電力。
又，根據實施例1-2、實施例2-2之構成，可將待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin構成為包含供電線圈21、供電共振器22、及受電共振器32之供電模組2之輸入阻抗。
據此，供電模組2至少包括供電線圈21、供電共振器22、及受電共振器32之3個要素，因此，用以決定供電模組2之輸入阻抗Zin之要素變多。而且，用以決定供電模組2之輸入阻抗Zin之要素變多，則用以決定相對於交流電源6之電源頻率之供電模組2之輸入阻抗Zin之關係之要素亦變多，因此，可提高供電模組2之設計自由度。
又，受電模組3可設為包含受電線圈31之構成，因此，可實現受電模組3之精簡化。
又，根據實施例1-1、實施例2-1之構成，可將待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin構成為包含供電線圈21、及供電共振器22之供電模組2之輸入阻抗Zin。
據此，供電模組2至少包括供電線圈21、及供電共振器22之2個要素，因此，用以決定供電模組2之輸入阻抗Zin之要素變多。而且，用以決定供電模組2之輸入阻抗Zin之要素變多，則用以決定相對於交流電源6之電源頻率之供電模組2之輸入阻抗Zin之關係之要素亦變多，因此，可提高供電模組2之設計自由度。
又，將受電模組3設為包含受電共振器32、受電線圈31之構成，因此，可實現受電模組3之精簡化。
又，根據實施例1-3、實施例2-3之構成，可將待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin構成為供電線圈21之輸入阻抗Zin。
據此，供電模組2主要包括供電線圈21之1個要素，因此，能夠使用以決定供電模組2之輸入阻抗Zin之要素單一化。而且，能夠使用 以決定供電模組2之輸入阻抗Zin之要素單一化，則亦能夠使用以決定相對於交流電源6之電源頻率之供電模組2之輸入阻抗Zin之關係之要素單一化，因此，可謀求供電模組2之設計之簡化。
(設計方法)
其次，參照圖23對作為製造供電模組2及受電模組3之一步驟之設計方法(調整)進行說明。
藉由本設計方法所設計者係圖1所示之具備供電模組2之充電器101、及具備受電模組3之無線式頭戴型耳機102。
首先，如圖23所示，根據充電電池9之容量、及充電電池9之充電所需之充電電流來決定受電模組3接收之受電電量(S1)。
其次，決定供電共振器22與受電共振器32之間之距離(S2)。該距離係將內建有受電模組3之無線式頭戴型耳機102載置於內建有供電模組2之充電器101時之供電共振器22與受電共振器32之間的距離d23，使用形態為供電狀態。於本設計例中，為了將穩定電路7、充電電路8、及充電電池9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，而必須於受電共振器32之內周側形成磁場空間Z2。因此，考慮磁場空間Z2之形成場所而決定供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23。再者，距離d23亦考慮無線式頭戴型耳機102與充電器101之形狀、構造而決定。
又，基於無線式頭戴型耳機102及充電器101之大小、形狀、構造，而決定供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、及受電共振器32之線圈徑(S3)。
藉由經過上述S2~S3之順序而決定供電共振器22(線圈L2)與受電共振器32(線圈L3)之間之耦合係數k23、及電力傳送效率。
根據藉由上述S1決定之受電模組3接收之受電電量、及經過S2~S3之順序而決定之電力傳送效率，來決定向供電模組2供電所需之最 低限度之供電電量(S4)。
而且，基於上述受電模組3接收之受電電量、電力傳送效率、及向供電模組2供電所需之最低限度之供電電量，而決定供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin之設計值(S5)。
而且，於本設計例中，為了能夠如上述般形成磁場空間Z2而於逆相共振模式下之電源頻帶中，根據藉由S5決定之供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin之設計值，以待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin的方式決定各要素(參數)。具體而言，作為以待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin之方式設定供電模組2及受電模組3的要素(參數)，可列舉供電線圈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、耦合係數k12、k23、k34、負荷阻抗(負荷電阻)等設定值。又，使供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31之RLC電路串聯或並聯或者不連接電容器，亦成為上述要素(參數)。又，是否將供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32之任一個加入至供電模組2，亦成為上述要素(參數)。
根據上述方法，未形成磁場空間Z2之待機狀態下之供電模組2之輸入阻抗Zin大於形成有磁場空間Z2之供電狀態下之供電模組2及受電模組3之輸入阻抗Zin，因此，可相較於供電狀態下之消耗電力而降低待機狀態下之供電模組2之消耗電力。
(其他實施形態)
於上述說明中，係例示無線式頭戴型耳機102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、數位相機、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，係作為於被供電機器10中包含充電電池9之受電模組3而進行說明，但並不限定於此，亦可對被供電機器10採用直接消耗電力而活動之機器。
又，於上述說明中，係假定將供電模組2及受電模組3搭載於行動式之電子機器之情形而進行說明，但用途並不限於該等小型者，藉由對照必要電量而變更規格，例如，亦可搭載於相對大型之電動汽車(EV)之無線充電系統、或更小型之醫療用之無線式胃內相機等。
(磁場空間之大小之變更)
又，於上述實施形態中，對可形成磁場空間Z1、Z2之情況進行了說明，進而，磁場空間Z1、Z2可變更其大小。
為了變更磁場空間Z1、Z2之大小，係藉由變更供電共振器22及受電共振器32之間之磁場所致之連接程度(磁場耦合)之強度而進行，為了改變該磁場耦合，係藉由改變與供電模組2之供電線圈21或供電共振器22、及受電模組3之受電線圈31或受電共振器32相關的調整參數而進行。關於改變該調整參數之態樣，可列舉改變供電模組2之供電線圈21與供電共振器22之配置關係及受電模組3之受電線圈31與受電共振器32之配置關係、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。
根據上述方法，藉由改變與供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、受電共振器32相關之調整參數，而變更產生於供電共振器22與受電共振器32之間之磁場耦合之強度，可變更磁場空間(Z1或Z2)之大小。例如，藉由相對減弱產生於供電共振器22與受電共振器32之間之磁場耦合，而可擴大磁場空間(Z1或Z2)之大小。另一方面，藉由相對增強產生於供電共振器22與受電共振器32之間之磁場耦合，而可縮 小磁場空間(Z1或Z2)之大小。
(磁場空間之形狀之變更)
又，於上述實施形態中，對可形成磁場空間Z1、Z2之情況進行了說明，進而，對可變更磁場空間之形狀之情況進行說明。
為了變更磁場空間之形狀，例如藉由變更供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、受電線圈31各自之間、周邊之磁場所致之連接程度(磁場耦合)之強度而進行，為了改變該磁場耦合，係藉由改變供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、受電共振器32之線圈形狀而進行。
根據上述方法，藉由將供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、受電共振器32設為理想形狀，能夠以按照供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、受電共振器32之形狀之理想形狀形成磁場強度相對較弱之磁場空間。即，藉由改變供電線圈21、供電共振器22及受電模組3之受電線圈31、受電共振器32之形狀，可改變磁場強度相對較弱之磁場空間Z之形狀。
以上之詳細說明中，為了能夠更容易理解本發明，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，應儘可能廣地解釋其應用範圍。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，而非用於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。
b1‧‧‧帶域
b2‧‧‧帶域
D1‧‧‧帶域
D2‧‧‧帶域

Claims (7)

  1. 一種無線電力傳送裝置，其特徵在於，其係使受電模組接近連接於電源之供電模組，而將產生於上述供電模組周邊之磁場與產生於上述受電模組周邊之磁場相互抵消，藉此，於上述供電模組及上述受電模組之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間，並且利用共振現象自供電模組對受電模組供給電力，且該無線電力傳送裝置係以未形成上述磁場空間之待機狀態下之上述供電模組之輸入阻抗大於形成上述磁場空間而對上述受電模組供給電力之供電狀態下之上述供電模組及上述受電模組之輸入阻抗的上述電源之電源頻率作動。
  2. 如請求項1之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組及上述受電模組至少包含以特定之共振頻率共振之供電共振器及受電共振器，利用上述共振現象自上述供電共振器對上述受電共振器供給電力時，以流向上述供電共振器之電流之朝向與流向上述受電共振器之電流之朝向成為相同朝向的方式，將上述電源之電源頻率設定為較上述共振頻率更低頻率側。
  3. 如請求項1之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組及上述受電模組至少包含以特定之共振頻率共振之供電共振器及受電共振器，利用上述共振現象自上述供電共振器對上述受電共振器供給電力時，以流向上述供電共振器之電流之朝向與流向上述受電共振器之電流之朝向成為相反朝向的方式，將上述電源之電源頻率設定為較上述共振頻率更高頻率側。
  4. 如請求項2或3之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組具備供電線圈、供電共振器、及受電共振器，上述受電模組具備受電線圈。
  5. 如請求項2或3之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組具備供電線圈、及供電共振器，上述受電模組具備受電共振器、及受電線圈。
  6. 如請求項2或3之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組具備供電線圈，上述受電模組具備供電共振器、受電共振器、及受電線圈。
  7. 一種無線電力傳送裝置之電力供給方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置係使受電模組接近連接於電源之供電模組，而將產生於上述供電模組周邊之磁場與產生於上述受電模組周邊之磁場相互抵消，藉此，於上述供電模組及上述受電模組之間或周邊之特定位置形成具有較該特定位置以外之磁場強度更小之磁場強度的磁場空間，並且利用共振現象自供電模組對受電模組供給電力，且該電力供給方法係將上述電源之電源頻率調整為未形成上述磁場空間之待機狀態下之上述供電模組之輸入阻抗大於形成有上述磁場空間而對上述受電模組供給電力之供電狀態下之上述供電模組及上述受電模組之輸入阻抗的帶域。
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