JP2015133834A - 無線電力伝送装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】給電共振器及び受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』の値が、二つのピーク帯域を有し、給電モジュールに供給する電力の電源周波数を、伝送特性『S21』の二つのピーク帯域の何れかに対応する電源周波数帯域に設定し、被給電機器における負荷変動範囲の最高値において、少なくとも電力の電源周波数に対する被給電機器を含む無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定した無線電力伝送装置。
【選択図】図10
Description
前記給電共振器及び前記受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、二つのピーク帯域を有し、前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数を、前記伝送特性の二つのピーク帯域の何れかに対応する電源周波数帯域に設定し、
前記被給電機器における負荷変動範囲の最高値において、少なくとも前記電力の電源周波数に対する前記被給電機器を含む前記無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定したことを特徴としている。
前記給電共振器及び前記受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、二つのピーク帯域を有するように設定する工程と、
前記被給電機器における負荷変動範囲の最高値において、少なくとも前記電力の電源周波数に対する前記被給電機器を含む前記無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定する工程と、
を含むことを特徴としている。
以下に本発明に係る無線電力伝送装置、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。
充電器101は、図1に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を有した給電モジュール2を備えている。また、無線式ヘッドセット102は、イヤホンスピーカ部102a、受電コイル31及び受電共振器32を有した受電モジュール3を備えている。そして、給電モジュール2の給電コイル21には、給電モジュール2に供給する電力の電源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が接続されている。また、受電モジュール3の受電コイル31には、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が接続されている。そして、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、受電共振器32の内周側に位置するように配置されている(なお、図面では、説明の都合上、安定回路7、充電回路8及びリチウムイオン二次電池9を受電共振器32の外に図示している)。詳細は後述するが、これら安定回路7、充電回路8及びリチウムイオン二次電池9が配置された、受電共振器32の内周側には、充電時に、周辺の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間G1が形成される。なお、本実施形態における安定回路7、充電回路8、及び、リチウムイオン二次電池9は、図1及び図2に示すように、最終的な電力の給電先となる被給電機器10であり、被給電機器10は、受電モジュール3に接続された電力の給電先の機器全体の総称である。
本実施形態の無線電力伝送装置1では、給電モジュール2及び受電モジュール3の内部・周辺に発生する磁界の強度を抑制するために、磁界強度を弱めた磁界空間G1又は磁界空間G2を形成する。具体的には、図1〜図5に示すように、給電モジュール2の給電共振器22から受電モジュール3の受電共振器32に共振現象を利用した電力供給をする際に、給電共振器22及び受電共振器32の近辺に、周辺の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間G1又は磁界空間G2を形成する。
ここでは、リチウムイオン二次電池を例に、リチウムイオン二次電池の負荷変動に伴う無線電力伝送装置1の負荷変動がどのような影響を与えるかを簡単に説明する。
次に、給電コイル21と給電共振器22との間の距離d12、及び、受電共振器32と受電コイル31との間の距離d34を変えて、結合係数k12、k34を変化させた場合に、電力の電源周波数に対する、被給電機器10を含めた無線電力伝送装置1全体の入力インピーダンスZinがどのような値を示すかを、条件を変えた実施例1〜4及び比較例により説明する。
実施例1では、給電コイル21と給電共振器22との間の距離d12を40mm、受電共振器32と受電コイル31との間の距離d34を40mmに設定したうえで、可変抵抗器(RL)の値を50Ω、100Ω、200Ωの3つの値に変えた場合における、電源周波数に対する可変抵抗(被給電機器10に相当)を含めた無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を測定した(図10参照)。また、給電モジュール2に供給する交流電力の電源周波数を、低周波側のピーク帯域(f(Low P))に設定した場合(同相共振モード:12.53MHz)の測定値、共振周波数f0に設定した場合(共振周波数12.63MHz)の測定値、高周波数側のピーク帯域(f(High P))に設定した場合(逆相共振モード:12.73MHz)の測定値を図10の表にまとめて示す。なお、実施例1では、図10に示すように、給電共振器22及び受電共振器32における、電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』の値(実線150)、及び、給電コイル21、給電共振器22及び受電共振器32、受電コイル31における伝送特性『S21』の値(実線151)も測定している。その測定結果を図10に示す。
実施例2では、給電コイル21と給電共振器22との間の距離d12を30mm、受電共振器32と受電コイル31との間の距離d34を30mmに設定したうえで、可変抵抗器(RL)の値を50Ω、100Ω、200Ωの3つの値に変えた場合における、電源周波数に対する可変抵抗(被給電機器10に相当)を含めた無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を測定した(図11参照)。また、給電モジュール2に供給する交流電力の電源周波数を、低周波側のピーク帯域(f(Low P))に設定した場合(同相共振モード:12.53MHz)の測定値、共振周波数f0に設定した場合(共振周波数12.63MHz)の測定値、高周波数側のピーク帯域(f(High P))に設定した場合(逆相共振モード:12.73MHz)の測定値を図11の表にまとめて示す。なお、実施例2では、図11に示すように、給電共振器22及び受電共振器32における、電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』の値(実線150)、及び、給電コイル21、給電共振器22及び受電共振器32、受電コイル31における伝送特性『S21』の値(実線152)も測定している。その測定結果を図11に示す。
実施例3では、給電コイル21と給電共振器22との間の距離d12を20mm、受電共振器32と受電コイル31との間の距離d34を20mmに設定したうえで、可変抵抗器(RL)の値を50Ω、100Ω、200Ωの3つの値に変えた場合における、電源周波数に対する可変抵抗(被給電機器10に相当)を含めた無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を測定した(図12参照)。また、給電モジュール2に供給する交流電力の電源周波数を、低周波側のピーク帯域(f(Low P))に設定した場合(同相共振モード:12.53MHz)の測定値、共振周波数f0に設定した場合(共振周波数12.63MHz)の測定値、高周波数側のピーク帯域(f(High P))に設定した場合(逆相共振モード:12.73MHz)の測定値を図12の表にまとめて示す。なお、実施例3では、図12に示すように、給電共振器22及び受電共振器32における、電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』の値(実線150)、及び、給電コイル21、給電共振器22及び受電共振器32、受電コイル31における伝送特性『S21』の値(実線153)も測定している。その測定結果を図12に示す。
実施例4では、給電コイル21と給電共振器22との間の距離d12を10mm、受電共振器32と受電コイル31との間の距離d34を10mmに設定したうえで、可変抵抗器(RL)の値を50Ω、100Ω、200Ωの3つの値に変えた場合における、電源周波数に対する可変抵抗(被給電機器10に相当)を含めた無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を測定した(図13参照)。また、給電モジュール2に供給する交流電力の電源周波数を、低周波側のピーク帯域(f(Low P))に設定した場合(同相共振モード:12.53MHz)の測定値、共振周波数f0に設定した場合(共振周波数12.63MHz)の測定値、高周波数側のピーク帯域(f(High P))に設定した場合(逆相共振モード:12.73MHz)の測定値を図13の表にまとめて示す。なお、実施例4では、図13に示すように、給電共振器22及び受電共振器32における、電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』の値(実線150)、及び、給電コイル21、給電共振器22及び受電共振器32、受電コイル31における伝送特性『S21』の値(実線154)も測定している。その測定結果を図13に示す。
比較例では、給電コイル21と給電共振器22との間の距離d12を5mm、受電共振器32と受電コイル31との間の距離d34を5mmに設定したうえで、可変抵抗器(RL)の値を50Ω、100Ω、200Ωの3つの値に変えた場合における、電源周波数に対する可変抵抗(被給電機器10に相当)を含めた無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値を測定した(図14参照)。また、給電モジュール2に供給する交流電力の電源周波数を、低周波側のピーク帯域(f(Low P))に設定した場合(同相共振モード:12.53MHz)の測定値、共振周波数f0に設定した場合(共振周波数12.63MHz)の測定値、高周波数側のピーク帯域(f(High P))に設定した場合(逆相共振モード:12.73MHz)の測定値を図14の表にまとめて示す。なお、比較例では、図14に示すように、給電共振器22及び受電共振器32における、電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』の値(実線150)、及び、給電コイル21、給電共振器22及び受電共振器32、受電コイル31における伝送特性『S21』の値(実線155)も測定している。その測定結果を図14に示す。
上記構成によれば、被給電機器10の負荷が変動したときに、被給電機器10の負荷の変動傾向に合わせて、被給電機器10を含む無線電力伝送装置1全体の入力インピーダンスZinの値を変動させることができる。例えば、被給電機器10の負荷が上昇した場合、被給電機器10を含む無線電力伝送装置1全体の入力インピーダンスZinの値を上昇させることができる。これにより、被給電機器10の負荷が上昇した場合、被給電機器10を含めた無線電力伝送装置1の入力電流を小さくすることができ、被給電機器10の負荷が上昇した際における消費電力を低減させることができる。
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1及び図15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無線式ヘッドセット102、及び、充電器101を例にして説明する(図1参照)。
まず、図15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102を例示して説明したが、負荷変動する機器であれば、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
10 被給電機器
21 給電コイル
22 給電共振器
31 受電コイル
32 受電共振器
101 充電器
102 無線式ヘッドセット
G1・G2 磁界空間
Claims (7)
- 少なくとも給電共振器を備えた給電モジュールから、負荷変動する被給電機器が接続された、少なくとも受電共振器を備え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であって、
前記給電共振器及び前記受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、二つのピーク帯域を有し、前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数を、前記伝送特性の二つのピーク帯域の何れかに対応する電源周波数帯域に設定し、
前記被給電機器における負荷変動範囲の最高値において、少なくとも前記電力の電源周波数に対する前記被給電機器を含む前記無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定したことを特徴とする無線電力伝送装置。 - 前記給電モジュール及び前記受電モジュールを構成する複数の回路素子の各素子値をパラメータとして、当該パラメータをそれぞれ変えることにより、前記給電共振器及び前記受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、二つのピーク帯域を有し、且つ、前記電力の電源周波数に対する前記被給電機器を含む前記無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定したことを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電モジュール、及び、前記受電モジュールが有するコイル間における結合係数の値を調整することにより、前記給電共振器及び前記受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、二つのピーク帯域を有し、且つ、前記電力の電源周波数に対する前記被給電機器を含む前記無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定したことを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電モジュール、及び、前記受電モジュールが有するコイル間における結合係数の値は、前記コイル間の距離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3に記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数を、前記伝送特性の二つのピーク帯域のうち高周波側に形成されるピーク帯域に対応する周波数帯域に設定したことを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数を、前記伝送特性の二つのピーク帯域のうち低周波側に形成されるピーク帯域に対応する周波数帯域に設定したことを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。
- 少なくとも給電共振器を備えた給電モジュールから、負荷変動する被給電機器が接続された、少なくとも受電共振器を備え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、
前記給電共振器及び前記受電共振器における、電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、二つのピーク帯域を有するように設定する工程と、
前記被給電機器における負荷変動範囲の最高値において、少なくとも前記電力の電源周波数に対する前記被給電機器を含む前記無線電力伝送装置の入力インピーダンスの値が、二つのピーク帯域を有するように設定する工程と、
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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