JP2014168358A - 無線電力伝送装置、無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法、及び、無線電力伝送装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】給電モジュール2から、被給電機器(安定回路7、充電回路8、リチウムイオン二次電池9)が接続された受電モジュール3に対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置1における入力インピーダンスZinの負荷変動応答性(被給電機器の負荷インピーダンスZlの単位変化量に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量)を調整するために、給電コイル21と給電共振器22との間における結合係数k12又は受電共振器32と受電コイル31との間における結合係数k34の値をそれぞれ調整する。
【選択図】図12
Description
そして、負荷変動応答性を高くすることができれば、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に追随して無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を変えることができ、その際に供給される電力を低減することができる。一方、負荷変動応答性を小さくすることができれば、被給電機器における負荷インピーダンスが変化したとしても、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を維持することができ、その際に供給される電力を維持することができる。
更に、無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整を、新たな機器を設けずに実現することができる。即ち、無線電力伝送装置の部品点数を増やさずに、無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性を調整することが可能となる。
そして、負荷変動応答性を高くすることができれば、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に対する、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量を大きくすることができるため、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に追随して無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を大きく変えることができ、その際に供給される電力を低減することができる。一方、負荷変動応答性を小さくすることができれば、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に対する、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量を小さくすることができるため、被給電機器における負荷インピーダンスが変化したとしても、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を維持することができ、その際に供給される電力を維持することができる。
そして、負荷変動応答性を高くすることができれば、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に対する、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量を大きくすることができるため、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に追随して無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を大きく変えることができ、その際に供給される電力を低減することができる。一方、負荷変動応答性を小さくすることができれば、被給電機器における負荷インピーダンスの変化に対する、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量を小さくすることができるため、被給電機器における負荷インピーダンスが変化したとしても、無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値を維持することができ、その際に供給される電力を維持することができる。
また、給電モジュールの外周側に発生する磁界と受電モジュールの外周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電モジュール及び受電モジュールの外周側に、磁界による影響が低減されて、給電モジュール及び受電モジュールの外周側以外の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。これにより、形成した磁界空間に、磁界の影響を受けたくない回路等を格納することで、スペースの有効活用ができ、無線電力伝送装置自体の小型化を図ることが可能になる。
また、給電モジュールの内周側に発生する磁界と受電モジュールの内周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電モジュール及び受電モジュールの内周側に、磁界による影響が低減されて、給電モジュール及び受電モジュールの内周側以外の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。これにより、形成した磁界空間に、磁界の影響を受けたくない回路等を格納することで、スペースの有効活用ができ、無線電力伝送装置自体の小型化を図ることが可能になる。
以下に本発明に係る無線電力伝送装置、無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法、及び、無線電力伝送装置の製造方法の実施形態について説明する。まず、本実施形態で使用する無線電力伝送装置1について説明する。
無線電力伝送装置1は、図1に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を備える給電モジュール2と、受電コイル31及び受電共振器32を備える受電モジュール3とを備えている。そして、給電モジュール2の給電コイル21に、給電モジュール2に供給する電力の駆動周波数を所定の値に設定した発振回路を備えた交流電源6を接続し、受電モジュール3の受電コイル31に、受電された交流電力を整流化する安定回路7及び過充電を防止する充電回路8を介してリチウムイオン二次電池9を接続している。なお、本実施形態では、安定回路7、充電回路8、及び、リチウムイオン二次電池9は、被給電機器に相当する。
・・・(式3)
・・・(式4)
・・・(式5)
上記無線電力伝送装置1の構成を踏まえて、無線電力伝送装置1における入力インピーダンスZinの負荷変動応答性の調整方法について説明する。
まず、上記無線電力伝送装置1における入力インピーダンスZinの負荷変動応答性、及び、無線電力伝送装置1における入力インピーダンスZinの負荷変動応答性を調整することができることの有用性について説明する。
また、被給電機器に直接電力を消費しながら可動する機器を採用した場合(例えば、二次電池等を介さずに、供給電力で機器を直接駆動させるもの)、無線電力伝送装置1における入力インピーダンスZinの負荷変動応答性を小さく調整することができれば、無線電力伝送における給電の際に、例え被給電機器における負荷インピーダンスZlが変化したとしても、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を維持することができる。このため、被給電機器に電力を安定して給電することが可能となり、被給電機器の動作を安定(動作が不安定にならない)させることができる。
上記のような無線電力伝送装置1では、給電モジュール2に供給する電力の駆動周波数を、給電モジュール2が備える給電コイル21・給電共振器22及び受電モジュール3が備える受電コイル31・受電共振器32が有する共振周波数と一致させることにより、無線電力伝送における電力伝送効率を最大にすることができることが一般的に知られており、電力伝送効率の最大化を求めて駆動周波数を共振周波数に設定にするのが一般的である。ここで、電力伝送効率とは、給電モジュール2に供給される電力に対する、受電モジュール3が受電する電力の比率のことをいう。
・・・(式6)
次に、結合係数k12、k34を変化させた場合に、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinがどのような変化をするかを、条件を変えた測定実験1〜6により説明する。
測定実験1に使用する無線電力伝送装置1では、給電コイル21は、抵抗器R1、コイルL1を要素とするRL回路を構成しており(共振なし)、コイルL1部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。同様に、受電コイル31は、抵抗器R4、コイルL4を要素とするRL回路を構成しており(共振なし)、コイルL4部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。また、給電共振器22は、抵抗器R2、コイルL2、及び、コンデンサC2を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL2部分は、銅線材(絶縁被膜付)を4回巻にした、コイル径96mmφのソレノイド型のコイルを使用している。また、受電共振器32は、抵抗器R3、コイルL3、及び、コンデンサC3を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL3部分は、銅線材(絶縁被膜付)を4回巻にした、コイル径96mmφのソレノイド型のコイルを使用している。そして、測定実験1に使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.05Ω、0.5Ω、0.5Ω、0.05Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、0.3μH、4μH、4μH、0.3μHに設定した。また、給電共振器22及び受電共振器32における共振周波数は12.8MHzである。
また、結合係数k12の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、35.9Ω、→ 39.0Ω、→ 48.2Ω、→ 54.5Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、54.5−35.9=18.6Ωである。
また、結合係数k12の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、47.5Ω、→ 54.8Ω、→ 76.0Ω、→ 90.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、90.1−47.5=42.6Ωである。
また、結合係数k12の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、79.0Ω、→ 97.1Ω、→ 148.5Ω、→ 183.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、183.1−79.0=104.1Ωである。
上記のように、同相共振モードにおいて、結合係数k12の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k12の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
また、結合係数k12の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、28.1Ω、→ 29.4Ω、→ 33.5Ω、→ 35.8Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、35.8−28.1=7.7Ωである。
また、結合係数k12の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、30.2Ω、→ 32.6Ω、→ 43.0Ω、→ 49.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、49.1−30.2=18.9Ωである。
また、結合係数k12の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、33.3Ω、→ 50.3Ω、→ 80.6Ω、→ 96.7Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、96.7−33.3=63.4Ωである。
上記のように、逆相共振モードにおいて、結合係数k12の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k12の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
測定実験2に使用する無線電力伝送装置1では、測定実験1と異なり、給電コイル21は、抵抗器R1、コイルL1、及び、コンデンサC1を要素とするRLC回路を構成しており(共振あり)、コイルL1部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。同様に、受電コイル31も、抵抗器R4、コイルL4、及び、コンデンサC4を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL4部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。なお、その他の構成は、測定実験1と同様である。そして、測定実験2に使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.05Ω、0.5Ω、0.5Ω、0.05Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、0.3μH、4μH、4μH、0.3μHに設定した。また、給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、及び、受電コイル31における共振周波数は12.8MHzである。
また、結合係数k12の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、11.5Ω、→ 18.1Ω、→ 31.8Ω、→ 40.3Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、40.3−11.5=28.8Ωである。
また、結合係数k12の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、22.4Ω、→ 35.4Ω、→ 62.2Ω、→ 79.0Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、79.0−22.4=56.6Ωである。
また、結合係数k12の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、48.8Ω、→ 77.6Ω、→ 136.5Ω、→ 173.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、173.1−48.8=124.3Ωである。
上記のように、同相共振モードにおいて、結合係数k12の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k12の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
また、結合係数k12の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、6.8Ω、→ 9.5Ω、→ 14.9Ω、→ 18.0Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、18.0−6.8=11.2Ωである。
また、結合係数k12の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、13.6Ω、→ 19.3Ω、→ 31.2Ω、→ 38.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、38.1−13.6=24.5Ωである。
また、結合係数k12の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、35.9Ω、→ 49.8Ω、→ 79.0Ω、→ 95.9Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、95.9−35.9=60.0Ωである。
上記のように、逆相共振モードにおいても、結合係数k12の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k12の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
測定実験3に使用する無線電力伝送装置1では、測定実験1、2と異なり、給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、受電コイル31のコイル部分に、平面上にコイルを巻き回して作成したパターンコイルを使用している。具体的には、給電コイル21は、抵抗器R1、コイルL1、及び、コンデンサC1を要素とするRLC回路を構成しており(共振あり)、コイルL1部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。同様に、受電コイル31は、抵抗器R4、コイルL4、及び、コンデンサC4を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL4部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。また、給電共振器22は、抵抗器R2、コイルL2、及び、コンデンサC2を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL2部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。また、受電共振器32は、抵抗器R3、コイルL3、及び、コンデンサC3を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL3部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。そして、測定実験3に使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、1.8Ω、1.8Ω、1.8Ω、1.8Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、2.5μH、2.5μH、2.5μH、2.5μHに設定した。また、給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、及び、受電コイル31における共振周波数は8.0MHzである。
また、結合係数k12の値を0.06に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、18.0Ω、→ 20.7Ω、→ 24.0Ω、→ 25.4Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、25.4−18.0=7.4Ωである。
また、結合係数k12の値を0.07に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、29.5Ω、→ 34.1Ω、→ 39.8Ω、→ 41.9Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、41.9−29.5=12.4Ωである。
また、結合係数k12の値を0.08に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、35.9Ω、→ 42.3Ω、→ 49.9Ω、→ 51.9Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、51.9−35.9=16.0Ωである。
上記のように、同相共振モードにおいて、結合係数k12の値を0.05、→ 0.06、→ 0.07、→ 0.08と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k12の値を0.08、→ 0.07、→ 0.06、→ 0.05と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
また、結合係数k12の値を0.06に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、14.9Ω、→ 15.8Ω、→ 17.3Ω、→ 18.0Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、18.0−14.9=3.1Ωである。
また、結合係数k12の値を0.07に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、25.0Ω、→ 26.6Ω、→ 29.4Ω、→ 30.5Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、30.5−25.0=5.5Ωである。
また、結合係数k12の値を0.08に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、32.1Ω、→ 34.2Ω、→ 37.8Ω、→ 38.7Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、38.7−32.1=6.6Ωである。
上記のように、逆相共振モードにおいても、結合係数k12の値を0.05、→ 0.06、→ 0.07、→ 0.08と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k12の値を0.08、→ 0.07、→ 0.06、→ 0.05と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
測定実験4に使用する無線電力伝送装置1では、測定実験1と同様に、給電コイル21は、抵抗器R1、コイルL1を要素とするRL回路を構成しており(共振なし)、コイルL1部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。同様に、受電コイル31は、抵抗器R4、コイルL4を要素とするRL回路を構成しており(共振なし)、コイルL4部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。なお、その他の構成も、測定実験1と同様である。また、測定実験4に使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.05Ω、0.5Ω、0.5Ω、0.05Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、0.3μH、4μH、4μH、0.3μHに設定した(測定実験1と同じ)。また、給電共振器22及び受電共振器32における共振周波数は12.8MHzである。
また、結合係数k34の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、165.8Ω、→ 197.7Ω、→ 242.0Ω、→ 259.3Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、259.3−165.8=93.5Ωである。
また、結合係数k34の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、127.4Ω、→ 152.8Ω、→ 209.7Ω、→ 230.2Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、230.2−127.4=102.8Ωである。
また、結合係数k34の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、79.0Ω、→ 97.1Ω、→ 148.5Ω、→ 183.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、183.1−79.0=104.1Ωである。
上記のように、同相共振モードにおいて、結合係数k34の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k34の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
また、結合係数k34の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、96.1Ω、→ 112.8Ω、→ 131.1Ω、→ 137.6Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、137.6−96.1=41.5Ωである。
また、結合係数k34の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、66.1Ω、→ 86.8Ω、→ 115.0Ω、→ 126.5Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、126.5−66.1=60.4Ωである。
また、結合係数k34の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、33.3Ω、→ 50.3Ω、→ 80.6Ω、→ 96.7Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、96.7−33.3=63.4Ωである。
上記のように、逆相共振モードにおいて、結合係数k34の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k34の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
測定実験5に使用する無線電力伝送装置1では、測定実験4と異なり、給電コイル21は、抵抗器R1、コイルL1、及び、コンデンサC1を要素とするRLC回路を構成しており(共振あり)、コイルL1部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。同様に、受電コイル31も、抵抗器R4、コイルL4、及び、コンデンサC4を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL4部分は、銅線材(絶縁被膜付)を1回巻にして、コイル径を96mmφに設定している。なお、その他の構成は、測定実験4と同様である。そして、測定実験5に使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.05Ω、0.5Ω、0.5Ω、0.05Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、0.3μH、4μH、4μH、0.3μHに設定した。また、給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、及び、受電コイル31における共振周波数は12.8MHzである。
また、結合係数k34の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、134.9Ω、→ 176.5Ω、→ 222.8Ω、→ 239.7Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、239.7−134.9=104.8Ωである。
また、結合係数k34の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、94.2Ω、→ 133.4Ω、→ 193.8Ω、→ 216.2Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、216.2−94.2=122.0Ωである。
また、結合係数k34の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、48.8Ω、→ 77.6Ω、→ 136.5Ω、→ 173.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、173.1−48.8=124.3Ωである。
上記のように、同相共振モードにおいて、結合係数k34の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k34の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
また、結合係数k34の値を0.15に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、86.6Ω、→ 105.2Ω、→ 123.4Ω、→ 129.3Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、129.3−86.6=42.7Ωである。
また、結合係数k34の値を0.22に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、63.0Ω、→ 83.3Ω、→ 110.9Ω、→ 122.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、122.1−63.0=59.1Ωである。
また、結合係数k34の値を0.35に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、35.9Ω、→ 49.8Ω、→ 79.0Ω、→ 95.9Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、95.9−35.9=60.0Ωである。
上記のように、逆相共振モードにおいても、結合係数k34の値を0.11、→ 0.15、→ 0.22、→ 0.35と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k34の値を0.35、→ 0.22、→ 0.15、→ 0.11と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
測定実験6に使用する無線電力伝送装置1では、測定実験4、5と異なり、給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、受電コイル31のコイル部分に、平面上にコイルを巻き回して作成したパターンコイルを使用している。具体的には、給電コイル21は、抵抗器R1、コイルL1、及び、コンデンサC1を要素とするRLC回路を構成しており(共振あり)、コイルL1部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。同様に、受電コイル31は、抵抗器R4、コイルL4、及び、コンデンサC4を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL4部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。また、給電共振器22は、抵抗器R2、コイルL2、及び、コンデンサC2を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL2部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。また、受電共振器32は、抵抗器R3、コイルL3、及び、コンデンサC3を要素とするRLC回路を構成しており、コイルL3部分は、銅箔のエッチングにより形成した12回巻き、コイル径35mmφのパターンコイルを使用している。そして、測定実験6に使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、1.8Ω、1.8Ω、1.8Ω、1.8Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、2.5μH、2.5μH、2.5μH、2.5μHに設定した。また、給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、及び、受電コイル31における共振周波数は8.0MHzである。
また、結合係数k34の値を0.06に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、50.2Ω、→ 56.1Ω、→ 60.6Ω、→ 62.0Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、62.0−50.2=11.8Ωである。
また、結合係数k34の値を0.07に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、45.3Ω、→ 51.4Ω、→ 58.6Ω、→ 61.0Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、61.0−45.3=15.7Ωである。
また、結合係数k34の値を0.08に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、35.9Ω、→ 42.3Ω、→ 49.9Ω、→ 51.9Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、51.9−35.9=16.0Ωである。
上記のように、同相共振モードにおいて、結合係数k34の値を0.05、→ 0.06、→ 0.07、→ 0.08と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k34の値を0.08、→ 0.07、→ 0.06、→ 0.05と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
また、結合係数k34の値を0.06に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、41.0Ω、→ 43.7Ω、→ 45.7Ω、→ 46.2Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、46.2−41.0=5.2Ωである。
また、結合係数k34の値を0.07に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、39.4Ω、→ 41.2Ω、→ 44.6Ω、→ 45.1Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、45.1−39.4=5.7Ωである。
また、結合係数k34の値を0.08に設定した場合、可変抵抗器11(Rl)の値を51Ω→ 100Ω、→ 270Ω、→ 500Ωの順に大きくしていくと、無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値は、32.1Ω、→ 34.2Ω、→ 37.8Ω、→ 38.7Ωという具合に上昇した。この場合、可変抵抗器11(Rl)の値が51Ωから500Ωに上昇した場合の入力インピーダンスZinの変化量は、38.7−32.1=6.6Ωである。
上記のように、逆相共振モードにおいても、結合係数k34の値を0.05、→ 0.06、→ 0.07、→ 0.08と大きくすることにより、可変抵抗器11(Rl)(被給電機器の負荷インピーダンス)の変化量に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動応答性は高くなる傾向にあることが分かる。また、逆に、結合係数k34の値を0.08、→ 0.07、→ 0.06、→ 0.05と小さくすることにより、負荷変動応答性は小さくなる傾向にあることが分かる。
次に、無線電力伝送装置1における入力インピーダンスZinの負荷変動応答性を調整するためのパラメータである結合係数k12、及び、k34の調整方法について説明する。
次に、無線電力伝送装置1を製造する一工程である、設計方法(設計工程)について、図12及び図13を参照して説明する。本説明では、無線電力伝送装置1を搭載する携帯機器としてイヤホンスピーカ部200aを備えた無線式ヘッドセット200、及び、充電器201を例にして説明する(図12参照)。
まず、図13に示すように、リチウムイオン二次電池9の容量、及び、リチウムイオン二次電池9の充電に必要とされる充電電流から、受電モジュール3が受電する受電電力量が決まる(S1)。
上記製造方法の説明では、無線式ヘッドセット200を例示して説明したが、充電池を備えた機器であれば、タブレット型PC、デジタルカメラ、携帯電話、イヤホン型音楽プレイヤー、補聴器、集音器などにも使用することができる。
2 給電モジュール
3 受電モジュール
6 交流電源
7 安定回路
8 充電回路
9 リチウムイオン二次電池
21 給電コイル
22 給電共振器
31 受電コイル
32 受電共振器
200 無線式ヘッドセット
201 充電器
Claims (9)
- 給電モジュールから、電力を消費する被給電機器が接続された受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法であって、
前記給電モジュール、及び、受電モジュールはそれぞれ少なくとも1つのコイルを有し、
隣接する前記コイル間における結合係数の値をそれぞれ調整することにより、前記被給電機器の負荷インピーダンスの単位変化量に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量である負荷変動応答性を調整することを特徴とする無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。 - 少なくとも給電コイル及び給電共振器を備えた給電モジュールから、少なくとも受電共振器及び受電コイルを備え、電力を消費する被給電機器が接続された受電モジュールに対して共振現象によって電力を供給する無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法であって、
前記給電コイルと前記給電共振器との間における結合係数k12、前記給電共振器と前記受電共振器との間における結合係数k23、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間における結合係数k34の値の少なくとも1つを調整することにより、前記負荷変動応答性を調整することを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。 - 前記各結合係数k12、k23、k34の値は、それぞれ前記給電コイルと前記給電共振器との間の距離、前記給電共振器と前記受電共振器との間の距離、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の距離の少なくとも1つを変化させることにより調整されることを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。
- 前記給電共振器と前記受電共振器との間の距離、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の距離を固定した場合、
前記負荷変動応答性は、
前記給電コイルと前記給電共振器との間の距離を短くするにつれて、前記給電コイルと前記給電共振器との間における前記結合係数k12の値が大きくなり、前記結合係数k12の値が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性が高くなる特性に基づいて調整されることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。 - 前記給電コイルと前記給電共振器との間の距離、及び、前記給電共振器と前記受電共振器との間の距離を固定した場合、
前記負荷変動応答性は、
前記受電共振器と前記受電コイルとの間の距離を短くするにつれて、前記受電共振器と前記受電コイルとの間における前記結合係数k34の値が大きくなり、前記結合係数k34の値が大きくなるにつれて、当該無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性が高くなる特性に基づいて調整されることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。 - 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有するように設定し、
前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数は、前記共振周波数よりも低い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域であることを特徴とする請求項2〜5の何れかに記載の無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。 - 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有するように設定し、
前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数は、前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域であることを特徴とする請求項2〜5の何れかに記載の無線電力伝送装置における入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の入力インピーダンスの負荷変動応答性の調整方法により調整されたことを特徴とする無線電力伝送装置。
- 給電モジュールから、電力を消費する被給電機器が接続された受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の製造方法であって、
前記給電モジュール、及び、受電モジュールにそれぞれ少なくとも1つのコイルを設け、
隣接する前記コイル間における結合係数の値をそれぞれ調整することにより、前記被給電機器の負荷インピーダンスの単位変化量に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値の変化量である負荷変動応答性を調整する工程を含むことを特徴とする無線電力伝送装置の製造方法。
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