KR20160106077A - 무선 전력 전송 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20160106077A
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히사시 츠다
다케조 하타나카
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 장치에 있어서, 피급전 기기의 부하의 변동 경향에 맞춰서 입력 임피던스의 값을 변동시킬 수 있도록 한 것이다. 무선 전력 전송 장치(1)에서의, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 전송 특성 S21은, 2개의 피크 대역을 갖는다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수는, 전송 특성 S21의 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수 대역으로 설정되고, 피급전 기기에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정된다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 그 제조 방법{WIRELESS ELECTRIC POWER TRANSMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은, 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 자계를 변화시켜서 전력을 공급하는 무선 전력 전송, 및 그 무선 전력 전송 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 노트북형 PC, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 휴대 게임기, 이어폰형 음악 플레이어, 무선식 헤드셋, 보청기, 레코더 등 사람이 휴대하면서 사용할 수 있는 휴대형 전자 기기가 급속하게 보급되고 있다. 그리고, 이들 휴대형 전자 기기의 대부분에는 충전지가 탑재되어 있어, 정기적인 충전을 필요로 한다. 이 전자 기기에 탑재된 충전지에의 충전 작업을 간편하게 하기 위해서, 충전기에 탑재된 급전 모듈과 전자 기기에 탑재된 수전 모듈의 사이에서 무선에 의한 전력 전송을 이용한 급전 기술(자계를 변화시켜서 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 기술)에 의해, 충전지를 충전하는 기기가 점차 늘어나고 있다.
예를 들어, 무선 전력 전송 기술로서는, 코일 간의 전자기 유도를 이용해서 전력 전송을 행하는 기술이나(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 급전 모듈 및 수전 모듈이 구비하는 공진기(코일) 간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용해서 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
또한, 충전지(예를 들어, 리튬 이온 이차 전지 등)를 충전하는 방식에 관해서는, 정전류 정전압 충전 방식이 알려져 있다. 그리고, 상기 무선에 의한 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 장치에 의해, 리튬 이온 이차 전지를 정전류 정전압 충전 방식에 의해 충전하는 경우, 정전류 충전(CC)으로부터 정전압 충전(CV)으로 이행했을 때, 충전지에 공급되는 전류값이 감쇠하여, 충전지를 포함한 피급전 기기(충전지, 안정 회로, 충전 회로 등이 포함됨)의 부하 임피던스의 값이 올라가게 된다(부하 변동).
그렇게 되면, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스도 변동하게 되지만, 가령, 피급전 기기의 부하 임피던스의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스를 상승시키는 것을 실현할 수 있으면, 피급전 기기의 부하 임피던스의 상승에 맞춰서, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치에서의 소비 전력을 저감시키는 것이 가능해진다.
이러한 점에서, 피급전 기기의 부하 임피던스의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스를 상승시키기 위해서, 별개로 임피던스 정합기를 설치하는 것이 생각된다.
일본 특허 제4624768호 공보 일본 특허공개 제2013-239692호 공보
그러나, 별개로 임피던스 정합기를 설치하는 것은, 휴대성·콤팩트화·저비용화가 요구되는 휴대 전자 기기에 있어서는, 부품 개수가 많아져버려 좋지 않다.
바꾸어 말하면, 무선 전력 전송 장치에 새로운 기기를 추가하지 않고, 피급전 기기의 부하 임피던스의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스를 상승시키는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 새로운 기기를 추가하지 않고, 피급전 기기의 부하가 변동되었을 때, 피급전 기기의 부하의 변동 경향에 맞춰서, 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스의 값을 변동시킬 수 있도록 한 무선 전력 전송 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 적어도 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 부하 변동되는 피급전 기기가 접속된, 적어도 수전 공진기를 구비한 수전 모듈에 대하여 자계를 변화시켜서 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치로서,
상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 상기 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수 대역으로 설정하고,
상기 피급전 기기에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 피급전 기기의 부하가 변동되었을 때, 피급전 기기의 부하의 변동 경향에 맞춰서, 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스의 값을 변동시킬 수 있다. 예를 들어, 피급전 기기의 부하가 상승한 경우, 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스의 값을 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 피급전 기기의 부하가 상승한 경우, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기의 부하가 상승했을 때의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서,
상기 급전 모듈, 및 상기 수전 모듈을 구성하는 복수의 회로 소자의 각 소자값을 파라미터로 하여, 당해 파라미터를 각각 바꿈으로써, 상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈 및 수전 모듈을 구성하는 복수의 회로 소자의 각 소자값을 서로 조정함으로써, 급전 공진기 및 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값을 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서,
상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수의 값을 조정함으로써, 상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈, 및 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수의 값을 바꿈으로써, 급전 공진기 및 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값을 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 전력의 전원 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이 2개의 피크 대역을 갖도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈, 및 상기 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수의 값은, 상기 코일 간의 거리를 변화시킴으로써 조정되는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈, 및 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수의 값을, 코일 간의 거리를 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 이에 의해, 코일 간의 거리를 물리적으로 변화시킨다는 간이한 설계에 의해 조정이 가능해진다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 상기 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 고주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 주파수 대역으로 설정한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 고주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 주파수 대역으로 설정함으로써, 급전 공진기와 수전 공진기의 사이에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 상기 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 저주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 주파수 대역으로 설정한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 저주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 주파수 대역으로 설정함으로써, 급전 공진기 및 수전 공진기의 외측에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 적어도 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 부하 변동되는 피급전 기기가 접속된, 적어도 수전 공진기를 구비한 수전 모듈에 대하여 자계를 변화시켜서 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 제조 방법으로서,
상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하는 공정과,
상기 피급전 기기에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의해 제조된 무선 전력 전송 장치에 의하면, 피급전 기기의 부하가 변동되었을 때, 피급전 기기의 부하의 변동 경향에 맞춰서, 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스의 값을 변동시킬 수 있다. 예를 들어, 피급전 기기의 부하가 상승한 경우, 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스의 값을 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 피급전 기기의 부하가 상승한 경우, 피급전 기기를 포함한 무선 전력 전송 장치의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기의 부하가 상승했을 때의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
새로운 기기를 추가하지 않고, 피급전 기기의 부하가 변동되었을 때, 피급전 기기의 부하의 변동 경향에 맞춰서, 피급전 기기를 포함하는 무선 전력 전송 장치 전체의 입력 임피던스의 값을 변동시킬 수 있도록 한 무선 전력 전송 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치를 탑재한 충전기 및 무선식 헤드셋의 설명도이다.
도 2는, 무선 전력 전송 장치의 개략 설명도이다.
도 3은, 무선 전력 전송 장치의 등가 회로 설명도이다.
도 4는, 공진기 간의 전송 특성 『S21』이 2개의 피크를 가질 때의 설명도이다.
도 5는, 네트워크 애널라이저에 접속한 무선 전력 전송 장치의 설명도이다.
도 6은, 역상 공진 모드에서의 자계 벡터도이다.
도 7은, 동상 공진 모드에서의 자계 벡터도이다.
도 8a는, 리튬 이온 이차 전지의 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8b는, 리튬 이온 이차 전지의 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는, 무선 전력 전송에서의, 코일 간 거리와 결합 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10a는, 실시예 1에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, S21 측정 결과의 그래프이다.
도 10b는, 실시예 1에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 전원 주파수에 대한 입력 임피던스의 그래프이다.
도 10c는, 실시예 1에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 종단 부하의 경향을 나타내는 설명도이다.
도 11a는, 실시예 2에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, S21 측정 결과의 그래프이다.
도 11b는, 실시예 2에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 전원 주파수에 대한 입력 임피던스의 그래프이다.
도 11c는, 실시예 2에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 종단 부하의 경향을 나타내는 설명도이다.
도 12a는, 실시예 3에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, S21 측정 결과의 그래프이다.
도 12b는, 실시예 3에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 전원 주파수에 대한 입력 임피던스의 그래프이다.
도 12c는, 실시예 3에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 종단 부하의 경향을 나타내는 설명도이다.
도 13a는, 실시예 4에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, S21 측정 결과의 그래프이다.
도 13b는, 실시예 4에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 전원 주파수에 대한 입력 임피던스의 그래프이다.
도 13c는, 실시예 4에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 종단 부하의 경향을 나타내는 설명도이다.
도 14a는, 비교예에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, S21 측정 결과의 그래프이다.
도 14b는, 비교예에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 전원 주파수에 대한 입력 임피던스의 그래프이다.
도 14c는, 비교예에 따른 측정 결과를 나타내는 것이며, 종단 부하의 경향을 나타내는 설명도이다.
도 15는, 무선 전력 전송 장치를 포함하는 무선식 헤드셋 및 충전기의 설계 방법을 설명한 흐름도이다.
(실시 형태)
이하에 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치, 및 무선 전력 전송 장치의 제조 방법 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 주변의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1(G2)을 형성하는, 급전 공진기(22)를 구비한 급전 모듈(2) 및 수전 공진기(32)를 구비한 수전 모듈(3)을 주된 구성 요소로 하는 무선 전력 전송 장치(1)를 급전 모듈(2)을 탑재한 충전기(101) 및 수전 모듈(3)을 탑재한 무선식 헤드셋(102)을 예로 들어 설명한다. 또한, 도 1은, 충전 시에서의 충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)의 상태를 나타내고 있다.
(충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)의 구성)
충전기(101)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 갖는 급전 모듈(2)을 구비하고 있다. 또한, 무선식 헤드셋(102)은, 이어폰 스피커부(102a), 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 갖는 수전 모듈(3)을 구비하고 있다. 그리고, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)에는, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를 소정의 값으로 설정한, 발진 회로를 구비한 교류 전원(6)이 접속되어 있다. 또한, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)에는, 수전된 교류 전력을 정류화하는 안정 회로(7) 및 과충전을 방지하는 충전 회로(8)를 통해서 리튬 이온 이차 전지(9)가 접속되어 있다. 그리고, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)는 수전 공진기(32)의 내주측에 위치하도록 배치되어 있다(또한, 도면에서는, 설명의 편의상, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)를 수전 공진기(32)의 밖에 도시하고 있음). 상세는 후술하지만, 이들 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)가 배치된, 수전 공진기(32)의 내주측에는, 충전 시에, 주변의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1이 형성된다. 또한, 본 실시 형태에서의 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 최종적인 전력의 급전처로 되는 피급전 기기(10)이며, 피급전 기기(10)는, 수전 모듈(3)에 접속된 전력의 급전처의 기기 전체의 총칭이다.
또한, 도시하지 않았지만, 충전기(101)에는, 무선식 헤드셋(102)을 수납하기 위한, 무선식 헤드셋(102)의 형상에 입각한 수납 홈이 형성되어 있으며, 이 충전기(101)의 수납 홈에 무선식 헤드셋(102)을 수납함으로써, 충전기(101)가 구비하는 급전 모듈(2)과 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 수전 모듈(3)이 대향 배치되도록 무선식 헤드셋(102)을 위치 결정할 수 있게 되어 있다.
급전 코일(21)은, 교류 전원(6)으로부터 얻어진 전력을 전자기 유도에 의해 급전 공진기(22)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(21)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기 R1, 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L1 부분에는, 솔레노이드 코일을 사용하고 있다. 또한, 급전 코일(21)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고 있으며, 본 실시 형태에서는, 급전 코일(21)을 구성하는 저항기 R1 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 한다. 또한, 급전 코일(21)에 흐르는 전류를 I1이라 한다. 또한, 전류 I1은, 무선 전력 전송 장치(1)에 입력되는 입력 전류 Iin과 동의이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 급전 코일(21)에 RL 회로를 예로 들어 설명하고 있지만, RLC 회로의 구성으로 하여도 된다.
수전 코일(31)은, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자기 유도에 의해 수전하고, 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해 리튬 이온 이차 전지(9)에 공급하는 역할을 한다. 이 수전 코일(31)은, 급전 코일(21)과 마찬가지로, 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기 R4 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L4 부분에는, 솔레노이드 코일을 사용하고 있다. 또한, 수전 코일(31)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고 있으며, 본 실시 형태에서는, 수전 코일(31)을 구성하는 저항기 R4, 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 한다. 또한, 수전 코일(31)에 접속된 피급전 기기(10)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9))의 합계의 부하 임피던스를 ZL이라 한다. 또한, 수전 코일(31)에 흐르는 전류를 I4라 한다. 또한, 피급전 기기(10)의 합계 부하 임피던스를 ZL이라 하고 있지만, 편의적으로 RL과 치환해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 수전 코일(31)에 RL 회로를 예로 들어 설명하고 있지만, RLC 회로의 구성으로 하여도 된다.
급전 공진기(22)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기 R2, 코일 L2, 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 저항기 R3, 코일 L3, 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 그리고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 각각 공진 회로로 되고, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 여기서, 자계 공명 상태(공진 현상)란, 2개 이상의 코일이 공진 주파수 대역에 있어서 공진하는 것을 의미한다. 또한, 급전 공진기(22)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 하고, 본 실시 형태에서는, 급전 공진기(22)를 구성하는, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 한다. 또한, 수전 공진기(32)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 하고, 본 실시 형태에서는, 수전 공진기(32)를 구성하는, 저항기 R3, 코일 L3, 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 한다. 또한, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류를 I2라 하고, 수전 공진기(32)에 흐르는 전류를 I3이라 한다.
또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 공진 회로로서의 RLC 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, 수학식 1에 의해 정해지는 fo가 공진 주파수로 된다.
Figure pct00001
또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에는, 솔레노이드 코일을 사용하고 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 공진 주파수는 일치시키고 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 코일을 사용한 공진기라면, 스파이럴형이나 솔레노이드형 등의 코일이어도 된다.
또한, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리를 d12라 하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리를 d23이라 하고, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리를 d34라 하고 있다(도 2 및 도 3 참조).
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)의 코일 L1과 급전 공진기(22)의 코일 L2 사이의 상호 인덕턴스를 M12, 급전 공진기(22)의 코일 L2와 수전 공진기(32)의 코일 L3 사이의 상호 인덕턴스를 M23, 수전 공진기(32)의 코일 L3과 수전 코일(31)의 코일 L4 사이의 상호 인덕턴스를 M34라 하고 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수를 k12라 표기하고, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수를 k23이라 표기하고, 코일 L3과 코일 L4 사이의 결합 계수를 k34라 표기하고 있다.
또한, 상기 구성에 의한 무선 전력 전송 장치(1)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)를 포함함)의 회로도를 나타내면 도 2의 하측 도면과 같이 된다. 이것은, 무선 전력 전송 장치(1) 전체를 하나의 입력 임피던스 Zin으로 치환해서 나타낸 것이며, 무선 전력 전송 장치(1)에 인가하는 전압을 전압 Vin, 무선 전력 전송 장치(1)에 입력하는 전류를 Iin이라 하고 있다.
그리고, 이 전류 Iin을 전압 Vin 및 입력 임피던스 Zin을 근거로 한 관계식으로 나타내면 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
또한, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin을 보다 상세히 나타내기 위해서, 무선 전력 전송 장치(1)의 구성을 등가 회로에 의해 나타내면 도 3에 도시한 바와 같이 된다. 그리고, 도 3의 등가 회로로부터, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin은, 수학식 3과 같이 표기할 수 있다.
Figure pct00003
(Kij는 Li와 Lj 사이에서의 결합 계수)
그리고, 본 실시 형태에서의 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 및 수전 코일(31)에서의 임피던스 Z1, Z2, Z3, Z4, ZL은, 각각 수학식 4와 같이 표기할 수 있다.
Figure pct00004
다음으로, 수학식 3에 수학식 4를 도입하면, 수학식 5와 같게 된다.
Figure pct00005
여기서, 급전 코일(21)의 RL 회로의 R1, L1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RL 회로의 R4, L4에서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량 및 결합 계수 k12, k23, k34는, 설계·제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로서 기능한다.
상기 무선 전력 전송 장치(1)에 의하면, 급전 공진기(22)의 공진 주파수와 수전 공진기(32)의 공진 주파수를 일치시킨 경우, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이에 자계 공명 상태를 창출할 수 있다. 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 공진한 상태에서 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 전력을 자계 에너지로서 전송할 수 있다. 그리고, 수전 공진기(32)로 수전된 전력이 수전 코일(31), 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해서 리튬 이온 이차 전지(9)에 급전되어 충전된다.
(자계 공간의 형성)
본 실시 형태의 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)의 내부·주변에 발생하는 자계의 강도를 억제하기 위해서, 자계 강도를 약화시킨 자계 공간 G1 또는 자계 공간 G2를 형성한다. 구체적으로는, 도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)의 급전 공진기(22)로부터 수전 모듈(3)의 수전 공진기(32)에 공진 현상을 이용한 전력 공급을 할 때 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 부근에, 주변의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1 또는 자계 공간 G2를 형성한다.
자계 공간 G1·G2를 형성하기 위해서는, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』을 나타내는 그래프가, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하고, 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수로 설정함으로써 실현한다. 본 실시 형태에서는, 도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이에 자계 공간 G1을 형성하기 위해서, 전원 주파수를, 2개의 피크 대역 중 고주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 전원 주파수로 설정한다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외측에, 자계 공간 G2를 형성하고 싶은 경우에는(도 5 참조), 전원 주파수를, 2개의 피크 대역 중 저주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 전원 주파수로 설정한다.
여기서, 전송 특성 『S21』이란, 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))를 네트워크 애널라이저(110)(예를 들어, 애질런트·테크놀로지사 제조의 E5061B 등, 도 5 참조)에 접속해서 계측되는 신호를 나타내고 있으며, 데시벨 표시되어, 수치가 클수록 전력 전송 효율이 높은 것을 의미한다. 또한, 전력 전송 효율이란, 네트워크 애널라이저(110)에 무선 전력 전송 장치(1)를 접속한 상태에서, 출력 단자(111)로부터 급전 모듈(2)에 공급되는 전력에 대한 입력 단자(112)로 출력되는 전력의 비율을 의미한다.
구체적으로는, 도 5에 도시한 바와 같이, 네트워크 애널라이저(110)를 사용하고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』을, 급전 공진기(22)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 바꾸면서 해석한다. 이때, 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 횡축을 출력 단자(111)로부터 출력되는 교류 전력의 전원 주파수로 하고, 종축을 전송 특성 『S21』로 하여 해석한다. 여기서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』을 측정하는 데 있어서, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 결합이 강하면, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 결합 상태에 영향을 주게 되어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』의 정확한 측정을 할 수 없기 때문에, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12는, 급전 공진기(22)가 충분히 여진할 수 있고, 급전 공진기(22)에 의한 자계를 생성시키고, 또한 급전 코일(21)과 급전 공진기(22)가 가능한 한 결합하지 않는 거리로 유지할 필요가 있다. 또한, 마찬가지의 이유로 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34도, 수전 공진기(32)가 충분히 여진할 수 있고, 수전 공진기(32)에 의한 자계를 생성시키고, 또한 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)이 가능한 한 결합하지 않는 거리로 유지할 필요가 있다. 그리고, 해석된 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 도 4에 도시한 바와 같이, 저주파수측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))과 고주파수측에 형성되는 피크 대역(f(High P))의 2개의 피크 대역을 갖도록 설정된다(실선(150) 참조).
또한, 상기한 바와 같이 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리해서 2개의 피크 대역을 갖기 위해서는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23을 조정하거나, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3에서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 결합 계수 k23 등의 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)를 구성하는 변경 가능한 파라미터를 조정하거나 함으로써 실현된다.
그리고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 2개의 피크 대역을 갖는 경우에, 고주파수측에 형성되는 피크 대역(f(High P))으로, 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 역위상으로 공진 상태로 되어, 도 6에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향(22A)과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향(32A)이 반대 방향이 된다. 그 결과, 도 6의 자계 벡터도에 나타낸 바와 같이, 급전 공진기(22)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측의 자계 강도)보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성할 수 있다. 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되는 공진 상태를 역상 공진 모드라 칭하기로 한다.
한편, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형이, 2개의 피크 대역을 갖는 경우에, 저주파수측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))으로, 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동위상으로 공진 상태로 되고, 도 7에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향(22A)과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향(32A)이 동일한 방향이 된다. 그 결과, 도 7의 자계 벡터도에 나타낸 바와 같이, 급전 공진기(22)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계 강도)보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G2를 형성할 수 있다. 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향이 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라 칭하기로 한다.
(피급전 기기의 부하 변동에 수반되는 무선 전력 전송 장치의 부하 변동)
여기서는, 리튬 이온 이차 전지를 예로 들어, 리튬 이온 이차 전지의 부하 변동에 수반되는 무선 전력 전송 장치(1)의 부하 변동이 어떤 영향을 주는지를 간단히 설명한다.
본 실시 형태에서는, 전력이 급전되는 피급전 기기(10)의 하나로서 리튬 이온 이차 전지(9)를 사용하고 있다. 그리고, 일반적으로, 리튬 이온 이차 전지(9)를 충전하는데는, 정전류 정전압 충전 방식이 사용되고 있다. 이 정전류 정전압 충전 방식에 의한 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전에서는, 도 8a의 리튬 이온 이차 전지의 충전 특성에 도시한 바와 같이, 충전을 개시하고 나서 잠시 동안은 정전류에 의한 충전이 행해진다(CC: 콘스탄트 커런트). 그리고, 정전류에 의한 충전이 행해지고 있는 동안에 전압(Vch)이 소정의 상한 전압(본 실시 형태에서는, 4.2V)까지 상승한다. 전압이 상한 전압까지 상승하면, 그 상한 전압으로 유지된 채 정전압에 의한 충전이 행해진다(CV: 콘스탄트 볼티지). 정전압에 의한 충전이 행해지면, 전류값(Ich)이 감쇠해 가서, 소정의 전류값 또는 소정 시간 경과 후에 충전 완료로 된다.
그리고, 무선 전력 전송 장치(1)에 의해, 리튬 이온 이차 전지(9)를 상기 정전류 정전압 충전 방식에 의해 충전하는 경우, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행했을 때, 도 8b의 피급전 기기(10)를 구성하는 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)에 관한 부하 임피던스 ZL의 부하 변동 특성으로 나타낸 바와 같이, 피급전 기기(10)를 구성하는 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)에 공급되는 전류값(Iin)이 감쇠함으로써, 정전압 충전(CV)에 있어서는, 부하 임피던스 ZL의 값은 올라가게 된다. 즉, 본 실시 형태에서의 피급전 기기(10)(안정 회로(7), 충전 회로(8), 리튬 이온 이차 전지(9)) 전체로서의 부하 임피던스 ZL의 값은 올라가게 된다(부하 변동).
그리고, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값의 상승에 수반하여, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin도 변동되게 된다. 여기서, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강해버리면, 일정 전압하에서는, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스의 상승에 맞춰서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버린다.
한편, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin을 상승시킬 수 있으면, 일정 전압하에서, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스의 상승에 맞춰서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시키는 것이 가능해진다. 예를 들어, 충전 시(특히 콘스탄트 볼티지로 이행 후)에 소비되는 전력량을 저감시킬 수 있다.
즉, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin을 상승시킬 수 있으면, 피급전 기기(10)의 부하 변동에 따라서 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 피급전 기기(10)에 리튬 이온 이차 전지(9)가 포함되는 경우라면, 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전 시에 소비되는 전력량을 저감시킬 수 있다. 또한, 피급전 기기(10)에 직접 전력을 소비하면서 가동하는 구동 기기를 채용한 경우(예를 들어, 이차 전지 등을 통하지 않고, 공급 전력으로 기기를 직접 구동시키는 것), 구동 기기의 부하가 상승한 경우, 그것에 수반하여, 구동 기기의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태에서는, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin을 상승시키기 위해서, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성 『S21』의 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수 대역으로 설정하고(역상 공진 모드, 또는 동상 공진 모드로 설정), 피급전 기기(10)에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서(예를 들어, 부하가 50Ω 내지 200Ω으로 변동된다고 하면, 200Ω이 부하 변동 범위의 최고치로 됨), 적어도 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 피급전 기기(10)에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하기 위해서, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 복수의 회로 소자의 각 소자값을 파라미터로서, 당해 파라미터를 각각 바꿈으로써 실현하고 있다.
구체적으로는, 급전 코일(21)의 RL 회로의 R1, L1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RL 회로의 R4, L4에서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량, 결합 계수 k12, k23, k34 등이, 설계·제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로 된다. 또한, 급전 코일(21) 및 수전 코일(31)에 RLC 회로를 사용한 경우에는, 각각의 RLC 회로의 콘덴서 용량도 설계·제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로 된다.
또한, 이들 파라미터는, 전술한 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전송 특성 『S21』의 해석 파형을, 저주파측과 고주파측으로 피크가 분리하여 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하는 파라미터이기도 하다.
또한, 급전 모듈, 및 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수 k12, k23, k34의 값을 조정하는 방법으로서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 바꾸는 것, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32), 수전 코일(31)의 코일 직경을 바꾸는 것, 급전 공진기(22)의 중심축과 수전 공진기(32)의 중심축을 어긋나게 하는 방법이나, 급전 공진기(22)의 코일면과 수전 공진기(32)의 코일면에 각도를 부여하는 방법이나, 급전 코일(21)·급전 공진기(22)나 수전 공진기(32)·수전 코일(31) 등의 각 소자(저항, 콘덴서, 코일)의 용량을 변화시키는 방법이나, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 바꾸는 방법 등을 들 수 있다.
여기서, 일반적으로, 도 9에 도시한 바와 같이, 무선 전력 전송에 있어서, 코일과 코일 사이의 거리와 결합 계수 k의 관계는, 코일과 코일 사이의 거리를 줄이면(짧게 하면) 결합 계수 k의 값이 높아지는 경향이 있다. 이것을 본 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치(1)에 적용하면, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 각각 줄임으로써, 급전 코일(21)(코일 L1)과 급전 공진기(22)(코일 L2) 사이의 결합 계수 k12, 급전 공진기(22)(코일 L2)와 수전 공진기(32)(코일 L3) 사이의 결합 계수 k23, 수전 공진기(32)(코일 L3)와 수전 코일(31)(코일 L4) 사이의 결합 계수 k34를 높일 수 있다. 반대로, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 각각 늘림으로써, 급전 코일(21)(코일 L1)과 급전 공진기(22)(코일 L2) 사이의 결합 계수 k12, 급전 공진기(22)(코일 L2)와 수전 공진기(32)(코일 L3) 사이의 결합 계수 k23, 수전 공진기(32)(코일 L3)과 수전 코일(31)(코일 L4) 사이의 결합 계수 k34를 낮출 수 있다.
(실시예 및 비교예)
다음으로, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 및 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 바꿔서, 결합 계수 k12, k34를 변화시킨 경우에, 전력의 전원 주파수에 대한, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 어떤 값을 나타내는지를, 조건을 바꾼 실시예 1 내지 4 및 비교예에 의해 설명한다.
실시예 1 내지 4 및 비교예에서는, 무선 전력 전송 장치(1)를 임피던스 애널라이저(본 실시 형태에서는, 애질런트·테크놀로지사 제조의 E5061B를 사용)에 접속하여, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함한 입력 임피던스 Zin의 값을 측정한다. 또한, 실시예 1 내지 4 및 비교예에서는, 피급전 기기(10)(안정 회로(7), 충전 회로(8), 및 리튬 이온 이차 전지(9)) 대신에 가변 저항기(RL)를 접속해서 측정한다. 여기서, 가변 저항기(RL)의 값을 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 바꿔 측정함으로써, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값이 변동되는 현상을 의사적으로 재현하고 있다.
또한, 실시예 1 내지 4 및 비교예에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)는, 급전 코일(21)은, 저항기 R1, 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로이며, 코일 L1 부분은, 선 직경 1㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 1회 감기하여, 코일 직경 100㎜φ로 설정하고 있다(공진 없음). 수전 코일(31)은, 저항기 R4 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로이며, 코일 L4 부분은, 급전 코일(21)과 마찬가지로, 선 직경 1㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 1회 감기하여, 코일 직경 100㎜φ로 설정하고 있다(공진 없음). 또한, 급전 공진기(22)는 저항기 R2, 코일 L2, 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로이며, 코일 L2 부분은, 선 직경 1㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 2회 감기한 코일 직경 100㎜φ의 솔레노이드 코일이다. 수전 공진기(32)는, 저항기 R3, 코일 L3, 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로이며, 코일 L3 부분은, 선 직경 1㎜φ의 동선재(절연 피막을 가짐)를 2회 감기한 코일 직경 100㎜φ의 솔레노이드 코일이다. 그리고, 급전 공진기(22), 및 수전 공진기(32)에서의 공진 주파수는 12.63㎒이다. 또한, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23을 120㎜로 하여, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값이, 저주파수측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))과 고주파수측에 형성되는 피크 대역(f(High P))의 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하고 있다(도 10a·도 11a·도 12a·도 13a·도 14a의 실선(150) 참조). 또한, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 및 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 측정 조건에 맞춰서 조정하고 있다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 40㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 40㎜로 설정한 다음에, 가변 저항기(RL)의 값을 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 바꾼 경우에서의, 전원 주파수에 대한 가변 저항(피급전 기기(10)에 상당)을 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값을 측정하였다(도 10b 참조). 또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를, 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우(동상 공진 모드: 12.53㎒)의 측정값, 공진 주파수 f0으로 설정한 경우(공진 주파수 12.63㎒)의 측정값, 고주파수측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우(역상 공진 모드: 12.73㎒)의 측정값을 도 10c의 표에 정리해서 나타낸다. 또한, 실시예 1에서는, 도 10a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값(실선(150)), 및 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에서의 전송 특성 『S21』의 값(실선(151))도 측정하였다. 그 측정 결과를 도 10a에 나타낸다.
도 10b에 도시한 바와 같이, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=25.0Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=24.4Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=23.9Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버림을 알 수 있다.
한편, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=40.6Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=41.8Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=43.1Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=32.7Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=35.6Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=37.3Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 피급전 기기(10)에서의 부하를 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 설정하고, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값이 50Ω 내지 200Ω의 사이에서 부하 변동되는 현상을 의사적으로 재현하고 있다. 그리고, 이 부하 변동의 최고치인 200Ω에 있어서, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 10b의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 항목의 200Ω의 그래프 참조). 또한, 실시예 1에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 40㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 40㎜로 설정함으로써, 부하를 50Ω 및 100Ω으로 했을 때에도, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 10b 참조).
(실시예 2)
실시예 2에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 30㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 30㎜로 설정한 다음에, 가변 저항기(RL)의 값을 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 바꾼 경우에서의, 전원 주파수에 대한 가변 저항(피급전 기기(10)에 상당)을 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값을 측정하였다(도 11b 참조). 또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를, 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우(동상 공진 모드: 12.53㎒)의 측정값, 공진 주파수 f0으로 설정한 경우(공진 주파수 12.63㎒)의 측정값, 고주파수측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우(역상 공진 모드: 12.73㎒)의 측정값을 도 11c의 표에 정리해서 나타낸다. 또한, 실시예 2에서는, 도 11a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값(실선(150)) 및 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에서의 전송 특성 『S21』의 값(실선(152))도 측정하였다. 그 측정 결과를 도 11a에 나타낸다.
도 11b에 도시한 바와 같이, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=33.5Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=29.0Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=26.7Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버림을 알 수 있다.
한편, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=55.2Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=57.5Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때에는 입력 임피던스 Zin=60.4Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=40.0Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=47.7Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=52.4Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 피급전 기기(10)에서의 부하를 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 설정하고, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값이 50Ω 내지 200Ω의 사이에서 부하 변동되는 현상을 의사적으로 재현하고 있다. 그리고, 이 부하 변동의 최고치인 200Ω에 있어서, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 11b의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 항목의 200Ω의 그래프 참조). 또한, 실시예 2에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 30㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 30㎜로 설정함으로써, 부하를 50Ω 및 100Ω으로 했을 때에도, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 11b 참조).
(실시예 3)
실시예 3에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 20㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 20㎜로 설정한 다음, 가변 저항기(RL)의 값을 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 바꾼 경우에서의, 전원 주파수에 대한 가변 저항(피급전 기기(10)에 상당)을 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값을 측정하였다(도 12b 참조). 또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를, 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우(동상 공진 모드: 12.53㎒)의 측정값, 공진 주파수 f0으로 설정한 경우(공진 주파수 12.63㎒)의 측정값, 고주파수측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우(역상 공진 모드: 12.73㎒)의 측정값을 도 12c의 표에 정리해서 나타낸다. 또한, 실시예 3에서는, 도 12a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값(실선(150)), 및 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에서의 전송 특성 『S21』의 값(실선(153))도 측정하고 있다. 그 측정 결과를 도 12a에 나타낸다.
도 12b에 도시한 바와 같이, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=84.8Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=63.0Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=48.5Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버림을 알 수 있다.
한편, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=74.3Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=77.7Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=84.1Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P)으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=61.3Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=74.7Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=87.0Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 3에서는, 피급전 기기(10)에서의 부하를 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 설정하고, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값이 50Ω 내지 200Ω의 사이에서 부하 변동되는 현상을 의사적으로 재현하고 있다. 그리고, 이 부하 변동의 최고치인 200Ω에 있어서, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 12b의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 항목의 200Ω의 그래프 참조). 또한, 실시예 3에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 20㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 20㎜로 설정함으로써, 100Ω으로 했을 때에도, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 12b 참조). 단, 부하를 50Ω으로 했을 때는, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값은, 하나의 피크 대역밖에 갖지 않는다(도 12b 참조).
(실시예 4)
실시예 4에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 10㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 10㎜로 설정한 다음, 가변 저항기(RL)의 값을 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 바꾼 경우에서의, 전원 주파수에 대한 가변 저항(피급전 기기(10)에 상당)을 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값을 측정하였다(도 13b 참조). 또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를, 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우(동상 공진 모드: 12.53㎒)의 측정값, 공진 주파수 f0으로 설정한 경우(공진 주파수 12.63㎒)의 측정값, 고주파수측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우(역상 공진 모드: 12.73㎒)의 측정값을 도 13c의 표에 정리해서 나타낸다. 또한, 실시예 4에서는, 도 13a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값(실선(150)) 및 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에서의 전송 특성 『S21』의 값(실선(154))도 측정하고 있다. 그 측정 결과를 도 13a에 나타낸다.
도 13b에 도시한 바와 같이, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=267.4Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=203.5Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=149.5Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버림을 알 수 있다.
한편, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=144.1Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=146.5Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=156.4Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있고, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=170.5Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=172.2Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=181.9Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 4에서는, 피급전 기기(10)에서의 부하를 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 설정하고, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값이 50Ω 내지 200Ω의 사이에서 부하 변동되는 현상을 의사적으로 재현하고 있다. 그리고, 이 부하 변동의 최고치인 200Ω에 있어서, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고 있다(도 13b의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 항목의 200Ω의 그래프 참조). 또한, 실시예 4에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 10㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 10㎜로 설정함으로써, 부하를 50Ω, 100Ω으로 했을 때는, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값은, 하나의 피크 대역밖에 갖지 않는다(도 13b 참조).
(비교예)
비교예에서는, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12를 5㎜, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34를 5㎜로 설정한 다음, 가변 저항기(RL)의 값을 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 바꾼 경우에서의, 전원 주파수에 대한 가변 저항(피급전 기기(10)에 상당)을 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값을 측정하였다(도 14b 참조). 또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를, 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우(동상 공진 모드: 12.53㎒)의 측정값, 공진 주파수 f0으로 설정한 경우(공진 주파수 12.63㎒)의 측정값, 고주파수측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우(역상 공진 모드: 12.73㎒)의 측정값을 도 14c의 표에 정리해서 나타낸다. 또한, 비교예에서는, 도 14a에 도시한 바와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값(실선(150)) 및 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에서의 전송 특성 『S21』의 값(실선(155))도 측정하고 있다. 그 측정 결과를 도 14a에 나타낸다.
도 14b에 도시한 바와 같이, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=565.5Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=485.9Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=387.1Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버림을 알 수 있다.
한편, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=241.7Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=241.6Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=247.1Ω이며, 부하 RL이 상승했다고 해도, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin은, 거의 변함없는 값을 나타내었다. 따라서, 전원 주파수를 저주파측의 피크 대역(f(Low P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL이 상승했다고 해도, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류는 거의 변하지 않는다고 할 수 있다.
또한, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우, RL=을 50Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=347.3Ω이며, RL=을 100Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=338.0Ω이며, RL=을 200Ω으로 했을 때는 입력 임피던스 Zin=333.6Ω이며, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 고주파측의 피크 대역(f(High P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버림을 알 수 있다.
또한, 비교예에서는, 피급전 기기(10)에서의 부하를 50Ω, 100Ω, 200Ω의 3개의 값으로 설정하고, 피급전 기기(10)의 부하 임피던스 ZL의 값이 50Ω 내지 200Ω의 사이에서 부하 변동되는 현상을 의사적으로 재현하고 있다. 그리고, 이 부하 변동의 최고치인 200Ω에 있어서, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값은, 하나의 피크 대역밖에 갖지 않는다(도 14b의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 항목의 200Ω의 그래프 참조). 또한, 비교예에서는, 부하를 50Ω, 100Ω으로 했을 때도, 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값은, 하나의 피크 대역밖에 갖지 않는다(도 14b 참조).
상기한 바와 같이 실시예 1 내지 4와 비교예를 비교하면, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성 『S21』의 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수 대역으로 설정(f(High P), 또는 f(Low P)로 설정)하고, 피급전 기기(10)에서의 부하 변동 범위의 최고치(실시예 1 내지 4에서는 200Ω)에 있어서, 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정함으로써, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 상승하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 전원 주파수를 고·저주파측의 피크 대역(f(High P), 또는 f(Low P))으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 4 및 비교예로부터, 전원 주파수를 공진 주파수 f0으로 설정한 경우에는, 부하 RL의 상승에 따라서, 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin이 하강하고, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류가 커지게 되어, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)에서의 소비 전력이 증대되어버린다. 이로 인해, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성 『S21』의 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수 대역(f(High P), 또는 f(Low P))으로 설정할 필요가 있음을 알 수 있다.
(효과)
상기 구성에 의하면, 피급전 기기(10)의 부하가 변동되었을 때, 피급전 기기(10)의 부하의 변동 경향에 맞춰서, 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin의 값을 변동시킬 수 있다. 예를 들어, 피급전 기기(10)의 부하가 상승한 경우, 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1) 전체의 입력 임피던스 Zin의 값을 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 피급전 기기(10)의 부하가 상승한 경우, 피급전 기기(10)를 포함한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류를 작게 할 수 있어, 피급전 기기(10)의 부하가 상승했을 때의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 복수의 회로 소자의 각 소자값을 서로 조정함으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값을 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 갖는 코일 간에서의 결합 계수 k12, k23, k34의 값을 바꿈으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값을 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 전력의 전원 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 2개의 피크 대역을 갖도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 갖는 코일 간에서의 결합 계수 k12, k23, k34의 값을, 코일 간의 거리를 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 이에 의해, 코일 간의 거리를 물리적으로 변화시킨다는 간이한 설계에 의해 조정이 가능해진다.
또한, 상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성 『S21』의 2개의 피크 대역 중 고주파측에 형성되는 피크 대역(f(High P))에 대응하는 주파수 대역으로 설정함으로써, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)의 사이에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G1을 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 구성에 의하면, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 전송 특성 『S21』의 2개의 피크 대역 중 저주파측에 형성되는 피크 대역(f(Low P))에 대응하는 주파수 대역으로 설정함으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외측에, 부근의 자계 강도보다도 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간 G2를 형성하는 것이 가능해진다.
(제조 방법)
다음으로, 무선 전력 전송 장치(1)를 제조하는 일 공정인, 설계 방법(설계 공정)에 대하여, 도 1 및 도 15를 참조하여 설명한다. 본 설명에서는, 무선 전력 전송 장치(1)를 탑재하는 휴대 기기로서 무선식 헤드셋(102), 및 충전기(101)를 예로 하여 설명한다(도 1 참조).
(설계 방법)
우선, 도 15에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지(9)의 용량 및 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전에 필요한 충전 전류로부터, 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량이 결정된다(S1).
다음으로, 급전 모듈(2)과 수전 모듈(3) 사이의 거리를 결정한다(S2). 이것은, 수전 모듈(3)을 내장한 무선식 헤드셋(102)을 급전 모듈(2)을 내장한 충전기(101)에 적재했을 때의 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23이며, 사용 형태로서는 충전 중인 상태이다. 보다 상세하게는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23은, 무선식 헤드셋(102)과 충전기(101)의 형상·구조를 고려해서 결정된다.
또한, 무선식 헤드셋(102)의 크기·형상·구조를 근거로 하여, 수전 모듈(3)에서의 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 직경이 결정된다(S3).
또한, 충전기(101)의 크기·형상·구조를 근거로 하여, 급전 모듈(2)에서의 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)의 코일 직경이 결정된다(S4).
상기 S2 내지 S4의 수순을 거침으로써, 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 공진기(22)(코일 L2)와 수전 공진기(32)(코일 L3) 사이의 결합 계수 k23과, 전력 전송 효율이 상정되게 된다.
상기 S1에서 결정한 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량, 및 S2 내지 S4의 수순을 거쳐서 결정된 전력 전송 효율로부터, 급전 모듈(2)에 급전하는 필요 최저한의 급전 전력량이 결정된다(S5).
그리고, 상기 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량, 전력 전송 효율 및 급전 모듈(2)에 급전하는 필요 최저한의 급전 전력량을 근거로 하여, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에서의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 값이 2개의 피크 대역을 갖는 설계값의 범위가 결정된다(S6).
또한, 피급전 기기(10)인 안정 회로(7), 충전 회로(8), 리튬 이온 이차 전지(9)의 상정되는 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 2개의 피크 대역을 갖는 설계값이 결정된다(S7).
여기서, 피급전 기기(10)로 상정되는 부하 변동 범위의 적어도 최고치에 있어서, 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 2개의 피크 대역을 갖도록 설계함으로써, 피급전 기기(10)로 상정되는 부하 변동 범위의 모두(혹은, 어느 정도의 범위)에 있어서 전력의 전원 주파수에 대한 피급전 기기(10)를 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 2개의 피크 대역을 갖도록 설계하는 경우에 비하여, 설계 자유도의 향상이 실현된다.
그리고, S5 및 S7에서 결정된 설계값을 만족하도록 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)에 관한 최종적인 파라미터를 결정한다(S8). 여기서, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)에 관한 파라미터로서는, 급전 코일(21)의 RL 회로의 R1, L1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RL 회로의 R4, L4에서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량이나, 결합 계수 k12, k23, k34나, 나아가, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34 등을 들 수 있다. 또한, 급전 코일(21) 및 수전 코일(31)에 RLC 회로를 사용한 경우에는, 각각의 RLC 회로의 콘덴서 용량도 설계·제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로 된다.
(그 밖의 실시 형태)
상기 제조 방법의 설명에서는, 무선식 헤드셋(102)을 예시해서 설명하였지만, 부하 변동되는 기기라면, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 이어폰형 음악 플레이어, 보청기, 집음기 등에도 사용할 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 공진기(코일) 간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용해서 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 장치(1)를 예시해서 설명하였지만, 코일 간의 전자기 유도를 이용하여 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서도 적용 가능하다.
또한, 상기 설명에서는, 무선 전력 전송 장치(1)를 휴대형 전자 기기에 탑재한 경우를 상정해서 설명하였지만, 용도는 이들 소형의 것에 한하지 않고, 필요 전력량에 맞춰서 사양을 변경함으로써, 예를 들어 비교적 대형인 전기 자동차(EV)에서의 무선 충전 시스템이나, 보다 소형인 의료용 무선식 위 카메라 등에도 탑재할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 특징적 부분을 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태·실시예로 한정되지 않으며, 그 밖의 실시 형태·실시예에도 적용할 수 있고, 그 적용 범위는 가능한 한 넓게 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 있어서 사용한 용어 및 어법은, 본 발명을 적확하게 설명하기 위해서 사용한 것이며, 본 발명의 해석을 제한하기 위해서 사용한 것은 아니다. 또한, 당업자라면 본 명세서에 기재된 발명의 개념으로부터, 본 발명의 개념에 포함되는 다른 구성, 시스템, 방법 등을 추고하는 것은 용이하다고 생각된다. 따라서, 청구범위의 기재는, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 균등한 구성을 포함하는 것이라고 간주되어야 한다. 또한, 본 발명의 목적 및 본 발명의 효과를 충분히 이해하기 위해서, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작할 것이 요망된다.
1: 무선 전력 전송 장치
2: 급전 모듈
3: 수전 모듈
6: 교류 전원
7: 안정 회로
8: 충전 회로
9: 리튬 이온 이차 전지
10: 피급전 기기
21: 급전 코일
22: 급전 공진기
31: 수전 코일
32: 수전 공진기
101: 충전기
102: 무선식 헤드셋
G1·G2: 자계 공간

Claims (7)

  1. 적어도 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 부하 변동되는 피급전 기기가 접속된, 적어도 수전 공진기를 구비한 수전 모듈에 대하여 자계를 변화시켜서 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치로서,
    상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 상기 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 어느 하나에 대응하는 전원 주파수 대역으로 설정하고,
    상기 피급전 기기에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈을 구성하는 복수의 회로 소자의 각 소자값을 파라미터로 하여, 당해 파라미터를 각각 바꿈으로써, 상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수의 값을 조정함으로써, 상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖고, 또한 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 급전 모듈, 및 상기 수전 모듈이 갖는 코일 간에서의 결합 계수의 값은, 상기 코일 간의 거리를 변화시킴으로써 조정되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 상기 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 고주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 주파수 대역으로 설정한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수를, 상기 전송 특성의 2개의 피크 대역 중 저주파측에 형성되는 피크 대역에 대응하는 주파수 대역으로 설정한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  7. 적어도 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 부하 변동되는 피급전 기기가 접속된, 적어도 수전 공진기를 구비한 수전 모듈에 대하여 자계를 변화시켜서 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 제조 방법으로서,
    상기 급전 공진기 및 상기 수전 공진기에서의, 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하는 공정과,
    상기 피급전 기기에서의 부하 변동 범위의 최고치에 있어서, 적어도 상기 전력의 전원 주파수에 대한 상기 피급전 기기를 포함하는 상기 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스의 값이, 2개의 피크 대역을 갖도록 설정하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치의 제조 방법.
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