TW201539924A - 無線電力傳送裝置 - Google Patents
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Abstract
一種無線電力傳送裝置，其於供電共振器與受電共振器為對向配置之狀態下之無線電力傳送裝置傳送時輸入阻抗、於供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態下之無線電力傳送裝置之金屬異物配置時輸入阻抗、及於供電模組之待機時輸入阻抗之關係，滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件。
Description
本發明係關於藉由於供電模組與受電模組之間產生共振現象而供給電力之無線電力傳送裝置。
近年來，筆記型PC(pesonal computer，個人電腦)、平板型PC、數位相機、行動電話、掌上型遊戲機、耳機型音樂播放器、無線式耳機、助聽器、及記錄器等人們可隨身攜帶使用之攜帶型電子機器正在迅速普及。而且，該等攜帶型電子機器多數搭載有二次電池，需要定期進行充電。為使對該電子機器之二次電池之充電作業變得簡易，藉由於供電模組與搭載於電子機器之受電模組之間利用基於無線之電力傳送的供電技術(使磁場變化而進行電力傳送之無線電力傳送技術)而對二次電池進行充電之機器不斷增多。
作為無線電力傳送技術，列舉有利用線圈間之電磁感應進行電力傳送之技術(例如，參照專利文獻1)、或者藉由利用供電裝置(供電模組)及受電裝置(受電模組)所具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁振狀態)使磁場耦合而進行電力傳送之技術(例如，參照專利文獻2)。
於利用此種無線電力傳送技術設計供電裝置及受電裝置時，為了減少無線電力傳送時之電力損耗，而謀求提高受電裝置所接收之電力相對於供給至供電裝置之電力之比率，亦即電力傳送效率。
因此，如專利文獻3之先前技術(參照段落[0008]~[0010])及專利
文獻4之無線輸電系統之說明書中亦揭示者：藉由使供電裝置及受電裝置所具備之共振器具有之共振頻率與供給至供電裝置之電力之電源頻率(驅動頻率)一致(或使電源頻率(驅動頻率)與供電裝置及受電裝置所具備之共振器具有之共振頻率一致)，可使無線供電之電力傳送效率達到最大，此為一般已知(參照專利文獻4之段落[0013])，因而在謀求電力傳送效率之最大化時，一般會採取如此設定。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4624768號公報
[專利文獻2]日本特開2013-239692號公報
[專利文獻3]日本特開2011-050140號公報
[專利文獻4]日本特開2012-182975號公報
然而，藉由利用上述供電模組及受電模組所具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁振狀態)使磁場耦合而進行無線電力傳送時，有必要使受電模組接近供電模組，配置於可自供電模組對受電模組供電之距離(可供電區域)而使用。然這般使用過程中，若於供電模組附近處放置金屬異物，則金屬異物會受磁場影響而產生渦電流。若如此產生渦電流，則有導致金屬異物或供電模組產生過熱之情況，而成為不良。
尤其，為謀求電力傳送效率之最大化，使供電裝置及受電裝置所具備之共振器具有之共振頻率與供給至供電裝置之電力之電源頻率(驅動頻率)一致時，與供電模組附近處不存在金屬異物之待機狀態下供電模組之輸入阻抗相比，供電模組附近處存在金屬異物之狀態下包含金屬異物之供電模組之輸入阻抗變低(參照圖12~圖15)。如此，若包含金屬異物之供電模組之輸入阻抗Zin變低，則在恆定電壓下流動
之電流值變高(參照式：I=V/Zin)，而有導致供電模組之消耗電力增加，且供電模組所產生之熱成為過熱之虞。
因此，本發明之目的在於提供一種無線電力傳送裝置，其藉由設定為供電模組附近處存在金屬異物之狀態下包含金屬異物之供電模組之輸入阻抗變高，而可抑制供電模組所產生之過熱。
用於解決上述問題之發明之一係一種無線電力傳送裝置，其特徵在於：設定供電模組所具有之供電共振器及受電模組所具有之受電共振器之相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶，藉由於供電模組與受電模組之間產生共振現象而供給電力；其中將上述電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶；將上述電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶時之上述供電共振器與上述受電共振器為對向配置之狀態下之無線電力傳送裝置之傳送時輸入阻抗、於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態下之無線電力傳送裝置之金屬異物配置時輸入阻抗、及於上述供電模組之待機時輸入阻抗之關係滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件。
根據上述構成，藉由將無線電力傳送裝置設計成將供給至供電模組之電力之電源頻率設定為與傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶，並滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件，即使供電模組所具有之供電共振器附近處配置有金屬異物時，由於金屬異物配置時輸入阻抗高於待機時輸入阻抗及傳送時輸入阻抗，故供電模組之電流值仍變低，從而可抑制發熱或渦電流。
再者，用於解決上述問題之發明之一係關於上述無線電力傳送裝置，其特徵在於：上述供電模組至少具有供電線圈及上述供電共振器；上述受電模組至少具有上述受電共振器及受電線圈；上述供電線圈具備將電阻R1、線圈L1及電容器C1作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z1；上述供電共振器具備將電阻R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z2；上述受電共振器具備將電阻R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z3；上述受電線圈具備將電阻R4、線圈L4及電容器C4作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z4；將由上述受電線圈供電之機器之合計負荷阻抗設為ZL；將上述供電線圈之線圈L1與上述供電共振器之線圈L2之間之相互電感設為M12；將上述供電共振器之線圈L2與上述受電共振器之線圈L3之間之相互電感設為M23；將上述受電共振器之線圈L3與上述受電線圈之線圈L4之間之相互電感設為M34；將上述供電共振器之線圈L2與上述金屬異物之線圈Lm之間之相互電感設為M2m；將構成上述供電線圈、上述供電共振器、上述受電共振器及上述受電線圈之複數個電路元件之各元件值及上述相互電感作為參數，將上述金屬異物當作將電阻Rm及線圈Lm作為要件之RL電路；以下列設計式表示上述金屬異物配置時輸入阻抗、上述待機時輸入阻抗及上述傳送時輸入阻抗。
根據上述構成，藉由設為滿足上述關係式之電路構成，即使供電模組所具有之供電共振器附近處配置有金屬異物時，由於金屬異物配置時輸入阻抗高於待機時輸入阻抗及傳送時輸入阻抗，故供電模組
之電流值仍變低，從而可抑制發熱或渦電流。
用於解決上述問題之發明之一係如上述無線電力傳送裝置，其特徵在於包括：檢測器，其檢測輸入阻抗；及控制部，其於上述檢測器所檢測出之輸入阻抗顯示大於上述待機時輸入阻抗之值時，判定處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態。
根據上述構成，於檢測器所檢測出之輸入阻抗顯示大於待機時輸入阻抗之值時，可判定處於供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態，從而可實現安全之電力供給。
用於解決上述問題之發明之一係一種無線電力傳送裝置，其特徵在於：上述控制部判定處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，停止對上述供電模組之電力供給。
根據上述構成，於控制部判定處於供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，藉由停止對供電模組之電力供給，可事先防止金屬異物配置於供電共振器附近處之狀態下之電力供給所造成之不良(發熱/渦電流)之產生。
用於解決上述問題之發明之一係如上述無線電力傳送裝置，其特徵在於包括：報知裝置，其向外部進行報知；上述控制部判定處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，藉由上述報知裝置報知處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態。
根據上述構成，控制部判定為處於上述共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，可藉由報知裝置向外部報知處於供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態。
用於解決上述問題之發明之一係一種無線電力傳送裝置，其特
徵在於：上述供電模組所具有之供電共振器及受電共振器所具有之受電共振器相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶；上述電源頻率設為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶時之上述供電模組與上述受電模組之間進行無線電力供給時之傳送時輸入阻抗、及未進行無線電力供給時之非傳送時輸入阻抗之關係滿足非傳送時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件；該無線電力傳送裝置具備：振盪輸出器，其可進行對上述供電模組之電力供給之導通/斷開切換；電流檢測器，其檢測自上述振盪輸出器輸入至上述供電模組之電流值；比較電路，其將由上述電流檢測器檢測出之第1電流值與閾值進行比較，於判定由上述電流檢測器檢測出之第1電流值為上述閾值以上時，其後再度將由上述電流檢測器檢測出之第2電流值與上述閾值進行比較，於判定上述第2電流值小於上述閾值時，將使上述振盪輸出器對上述供電模組之電力供給設為斷開之斷開控制信號輸出至上述振盪輸出器，且上述閾值係設為於上述供電模組及上述受電模組之間進行無線電力供給時輸入至上述供電模組之電流值、與於上述供電模組及上述受電模組之間未進行無線電力供給時輸入至上述供電模組之電流值之間。
根據上述構成，藉由滿足非傳送時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件，可將於供電模組與受電模組之間進行無線電力供給時之輸入電流值設為高於供電模組與受電模組之間未進行無線電力供給時之輸入電流值。又，將閾值設為進行無線電力供給時之輸入電流值與未進行無線電力供給時之輸入電流之間。
又，於電流檢測器所檢測出之自振盪輸出器輸入至供電模組之
第1電流值為閾值以上時，其後再度將由電流檢測器檢測出之第2電流值與閾值進行比較，於判定第2電流值小於閾值時，判定已自供電模組與受電模組之間進行無線電力供給之狀態過渡至供電模組與受電模組之間未進行無線電力供給之狀態，藉由利用振盪輸出器將對供電模組之電力供給設為斷開(阻斷)，可抑制消耗電力。
用於解決上述問題之發明之一係上述記載之無線電力傳送裝置，其特徵在於：將上述電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶時之上述供電共振器與上述受電共振器為對向配置之狀態之無線電力傳送裝置之傳送時輸入阻抗、上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態之無線電力傳送裝置之金屬異物配置時輸入阻抗、及上述供電模組之待機時輸入阻抗之關係滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件。
根據上述構成，藉由將無線電力傳送裝置設計成可滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件，可滿足供電模組與受電模組之間進行無線電力供給時之傳送時輸入電流值>供電模組與受電模組之間未進行無線電力供給之供電模組對電力傳送處於待機狀態時之待機時輸入電流值>供電模組所具有之供電共振器附近處配置有金屬異物時之金屬異物配置時輸入電流值之關係。而且，將閾值設為傳送時輸入電流值與待機時輸入電流值之間。
該情形時，由於供電模組所具有之供電共振器附近處配置有金屬異物時之金屬異物配置時輸入電流值檢測出小於閾值之值，故施以與供電模組與受電模組之間未進行無線電力供給之供電模組對輸電處於待機狀態時相同之處理。
藉此，無線電力傳送裝置中，自進行無線電力供給之狀態過渡
至供電模組所具有之供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，藉由將對供電模組之電力供給設為斷開(阻斷)，可事先防止金屬異物配置於供電共振器附近處之狀態下之電力供給造成之不良(發熱/渦電流)之產生。
可提供一種無線電力傳送裝置，其藉由設定為供電模組附近處存在金屬異物之狀態下之包含金屬異物之供電模組之輸入阻抗變高，而可抑制供電模組所產生之過熱。
1‧‧‧無線電力傳送裝置
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R1‧‧‧電阻器
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RLC‧‧‧電路
Zin‧‧‧輸入阻抗
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圖1係本實施形態之搭載有無線電力傳送裝置之充電器及無線式耳機之說明圖。
圖2係本實施形態之無線電力傳送裝置之構成圖。
圖3係以等效電路顯示本實施形態之無線電力傳送裝置之說明圖。
圖4係共振器間之傳送特性『S21』具有兩個波峰時之說明圖。
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係反相共振模式之磁場矢量圖。
圖7係同相共振模式之磁場矢量圖。
圖8係說明單峰性之傳送特性『S21』之說明圖。
圖9係顯示正常充電狀態之無線電力傳送裝置之等效電路之說明圖。
圖10係顯示待機狀態之供電模組之等效電路之說明圖。
圖11係顯示異常狀態之包含金屬異物之供電模組之等效電路之說明圖。
圖12A係顯示測定實驗1之測定結果之圖。
圖12B係顯示測定實驗1之測定結果之圖。
圖13A係顯示測定實驗2之測定結果之圖。
圖13B係顯示測定實驗2之測定結果之圖。
圖14A係顯示測定實驗3之測定結果之圖。
圖14B係顯示測定實驗3之測定結果之圖。
圖15A係顯示測定實驗4之測定結果之圖。
圖15B係顯示測定實驗4之測定結果之圖。
圖16係顯示測定實驗5之測定結果之圖。
圖17係另一實施形態2之無線電力傳送裝置之構成圖。
圖18係另一實施形態2之無線電力供給導通/斷開控制之流程圖。
以下，對本發明之無線電力傳送所用之無線電力傳送裝置1進行說明。
(實施形態)
本實施形態中，以搭載有供電模組2之充電器101及搭載有受電模組3之無線式耳機102為例，對無線電力傳送裝置1進行說明，如圖1及圖2所示，該無線電力傳送裝置1係以形成具有較周邊磁場強度更小之磁場強度之磁場空間G1(詳細內容後述)、具備供電共振器22之供電模組2及具備受電共振器32之受電模組3為主要構成要件。另，圖1顯示充電時之充電器101及無線式耳機102之狀態。
(充電器101及無線式耳機102之構成)
如圖1及圖2所示，充電器101具備供電模組2，其具有供電線圈21及供電共振器22。又，無線式耳機102具備受電模組3，其具有耳掛式揚聲器部102a、受電線圈31及受電共振器32。而且，供電模組2之供電線圈21連接有交流電源6，其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。此外，受電模組3之受電線圈31經由將所接收之交流電流整流化之穩定化電路7及用於防止過充電之充
電電路8而連接有二次電池9。而且，穩定化電路7、充電電路8及二次電池9配置成位於受電共振器32之內周側(另，圖式中基於說明方便有將穩定化電路7、充電電路8及二次電池9圖示於受電共振器32外之情況)。雖詳細內容於後敘述，但於配置有該等穩定化電路7、充電電路8及二次電池9之受電共振器32之內周側，形成有充電時具有較周邊磁場強度更小之磁場強度之磁場空間G1。另，如圖1及圖2所示，本實施形態之穩定化電路7、充電電路8及二次電池9係成為最終電力供給對象之被供電機器10，被供電機器10係對連接於受電模組3之電力供給對象之所有機器之總稱。
再者，雖未圖示，但於充電器101設置有用於收納無線式耳機102、仿照無線式耳機102之形狀形成之收納槽，藉由將無線式耳機102收納至該充電器101之收納槽，可以充電器101所具備之供電模組2與無線式耳機102所具備之受電模組3成為對向配置地，對無線式耳機102進行定位。
供電線圈21發揮藉由電磁感應將自交流電源6獲得之電力供給至供電共振器22之作用。如圖3所示，該供電線圈21構成將電阻器R1、線圈L1及電容器C1作為要件之RLC電路。另外，線圈L1部分係使用螺線管線圈。此外，將構成供電線圈21之電路元件所具有之合計阻抗設為Z1，本實施形態中，係將構成供電線圈21之電阻器R1、線圈L1及電容器C1作為要件之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z1。再者，將供電線圈21內流動之電流設為I1。另，本實施形態中，雖已舉例RLC電路而說明供電線圈21，但亦可設為RL電路構成。
受電線圈31發揮藉由電磁感應以磁場能量自供電共振器22傳送至受電共振器32之電力並接收，並將其經由穩定化電路7及充電電路8而供給至二次電池9之作用。與供電線圈21同樣地，該受電線圈31如圖3所示，構成將電阻器R4、線圈L4及電容器C4作為要件之RLC電
路。另外，線圈L4部分係使用螺線管線圈。此外，將構成受電線圈31之電路元件所具有之合計阻抗設為Z4，本實施形態中，將構成受電線圈31之以電阻器R4、線圈L4及電容器C4作為要件之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z4。再者，將連接於受電線圈31之被供電機器10(穩定化電路7、充電電路8及二次電池9)之合計阻抗設為ZL。且，將受電線圈31內流動之電流設為I4。另，如圖3所示，連接於受電線圈31之被供電機器10(穩定化電路7、充電電路8及二次電池9)之各負荷阻抗合計所得者，為方便起見設為電阻器RL(相當於ZL)。此外，本實施形態中，雖已舉例RLC電路而說明受電線圈31，但亦可設為RL電路構成。
如圖3所示，供電共振器22構成將電阻器R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路。此外，如圖3所示，受電共振器32構成將電阻器R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路。又，供電共振器22及受電共振器32分別成為共振電路，發揮創造磁振狀態之作用。此處，所謂磁振狀態(共振現象)，係指2個以上之線圈在共振頻率頻帶共振。此外，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，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作為要件之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為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，本實施形態中，係將構成受電共振器32之電阻器R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z3。此外，將供電共振器22內流動之電流設為I2，將受電共振器32內流動之電流設為I3。
再者，作為供電共振器22及受電共振器32之共振電路之RLC電路中，若將阻抗設為L、將電容器電容設為C，則由(式1)決定之f0成為共振頻率。
此外，供電共振器22及受電共振器32使用螺線管線圈。又，供電共振器22及受電共振器32之共振頻率設為一致。另，供電共振器22及受電共振器32若為使用線圈之共振器，則可為螺旋型或螺線管型等之線圈。
再者，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5)。
再者，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之間之相互電感設為M12、將供電共振器22之線圈L2與受電共振器32之線圈L3之間之相互電感設為M23、將受電共振器32之線圈L3與受電線圈31之線圈L4之間之相互電感設為M34。此外，對於供電模組2及受電模組3，將線圈L1與線圈L2之間之耦合係數記作k12、將線圈L2與線圈L3之間之耦合係數記作k23、將線圈L3與線圈L4之間之耦合係數記作k34。
根據上述無線電力傳送裝置1(供電模組2及受電模組3)，供電共振器22與受電共振器32之間可創造磁振狀態(共振現象)。若於供電共振器22及受電共振器32共振之狀態創造磁振狀態，則可將電力作為磁場能量自供電共振器22向受電共振器32傳送，從而可自具備供電模組2之充電器101對具備受電模組3之無線式耳機102無線傳送電力，對設置於無線式耳機102內之二次電池9進行充電。
(磁場空間之形成)
本實施形態之無線電力傳送裝置1中，為了抑制於供電模組2及
受電模組3之內部/周邊所產生之磁場之強度，而形成磁場強度被減弱之磁場空間G1或磁場空間G2。具體而言，如圖1至圖5所示，於自供電模組2之供電共振器22對受電模組3之受電共振器32利用共振現象進行電力供給時，於供電共振器22及受電共振器32附近處，形成具有較周邊磁場強度更小之磁場強度之磁場空間G1或磁場空間G2。
形成磁場空間G1或G2時，係藉由顯示供電共振器22及受電共振器32之相對於電源頻率之傳送特性『S21』之圖表設定為具有兩個波峰頻帶，將供給至供電模組之電力之電源頻率設為與兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻率而實現。本實施形態中，如圖1至圖5所示，為了於供電共振器22與受電共振器32之間形成磁場空間G1，而將電源頻率設定為與兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之電源頻率。另，於供電共振器22及受電共振器32之外側未形成磁場空間G2之情形時(參照圖5)，則將電源頻率設定為與兩個波峰頻帶中形成於低頻側之波峰頻帶對應之電源頻率。
此處，所謂傳送特性『S21』，係表示將無線電力傳送裝置1(供電模組2及受電模組3)連接於網路分析儀110(例如Agilent Technologies股份有限公司製造之E5061B等，參照圖5)而計測之信號，以分貝表示，數值越大則電力傳送效率越高。此外，所謂電力傳送效率，係指無線電力傳送裝置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之電力之比率。
具體而言，如圖5所示，利用網路分析儀110，一面改變供給至供電共振器22之交流電力之電源頻率，一面解析供電共振器22及受電共振器32之相對於電源頻率之傳送特性『S21』。此時，如圖4之圖表所示，將橫軸設為自輸出端子111輸出之交流電力之電源頻率，將縱軸設為傳送特性『S21』而進行解析。此處，每次測定供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』時，若供電線圈21與供電共振器22
間之耦合較強，則會對供電共振器22與受電共振器32間之耦合狀態造成影響，由於無法正確地測定供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』，故供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12有必要保持在能使供電共振器22充分激振而基於供電共振器22生成磁場，且供電線圈21與供電共振器22儘可能不產生耦合之距離。此外，鑒於相同原因，受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34亦有必要保持在能使受電共振器32充分激振而基於受電共振器32生成磁場，且受電共振器32與受電線圈31儘可能不產生耦合之距離。又，設定成經解析之供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之解析波形如圖4所示具有形成於低頻側之波峰頻帶(f(Low P))與形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))之兩個波峰頻帶(參照實線150)。
另，如上述般供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之解析波形具有波峰分離成低頻側與高頻側之兩個波峰頻帶，係可藉由調整供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23，或調整供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3之電阻值、阻抗、電容器電容、耦合係數k23等之構成供電共振器22及受電共振器32之可變更之參數而實現。
又，於供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之解析波形具有兩個波峰頻帶時，將供給之交流電力之電源頻率設為形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))時，供電共振器22及受電共振器32以反相位成為共振狀態，如圖6所示，向供電共振器22流動之電流方向(22A)與向受電共振器32流動之電流方向(32A)為相反方向。結果，如圖6之磁場矢量圖所示，藉由於供電共振器22之內周側所產生之磁場與於受電共振器32之內周側所產生之磁場相抵消，在供電共振器22及受電共振器32之內周側，形成磁場影響減小且具有較供電共振器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之外周測之磁場強度)更小之磁場強度之磁場空間G1。此處，將向供電共振器22流動之電流方向與向受電共振器32流動之電流方向為相反方向之共振狀態稱為反相共振模式。
另一方面，於供電共振器22及受電共振器32之傳送特性『S21』之解析波形具有兩個波峰頻帶時，將供給之交流電力之電源頻率設為形成於低頻側之波峰頻帶(f(Low P))時，供電共振器22及受電共振器32以同相位成為共振狀態，如圖7所示，向供電共振器22流動之電流方向(22A)與向受電共振器32流動之電流方向(32A)為相同方向。結果，如圖7之磁場矢量圖所示，藉由於供電共振器22之外周側所產生之磁場與於受電共振器32之外周側所產生之磁場相抵消，在供電共振器22及受電共振器32之外周側，形成磁場影響減小且具有較供電共振器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之內周測之磁場強度)更小之磁場強度之磁場空間G2。此處，將向供電共振器22流動之電流方向與向受電共振器32流動之電流方向為相同方向之共振狀態稱為同相共振模式。
另，關於無線電力傳送裝置1，顯示包含供電線圈21與供電共振器22之供電模組2、及包含受電共振器32與受電線圈31之受電模組3之相對於電源頻率之傳送特性『S21』之圖表，但一般係設定為具有如圖8所示之單峰性之性質。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，該波峰係顯現在共振頻率頻帶(f0)者(參照圖8之實線151)。
若設定成具有單峰性之性質，則如圖8之虛線151所示，供電模組2及受電模組3之傳送特性『S21』係於電源頻率為共振頻率f0之頻帶最大化(電力傳送效率最大化)。因此，為了將無線傳送技術之電力傳送效率最大化，一般設定為供電模組2及受電模組3之傳送特性『S21』具有單峰性之性質，將電源頻率設定為共振頻率f0而使用。
(關於無線電力傳送裝置之金屬異物之問題)
上述已對無線電力傳送裝置1之構成及磁場空間G1或G2進行說明。如上所述，藉由無線而供給電力時，在其使用過程中，若於供電模組2與受電模組3之間或供電模組2周邊放置金屬異物(例如硬幣、釘、別針、鑰匙等)，則金屬異物將受磁場影響而產生渦電流。若如此產生渦電流，則有導致金屬異物或供電模組2產生過熱之情況。
本發明已著眼於若設定為於供電模組2附近處存在金屬異物之狀態之包含金屬異物之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)(異常狀態：Abnormality，相當於金屬異物配置時輸入阻抗)顯示高於正常充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin(T)(正常充電狀態：Transmission，相當於傳送時輸入阻抗)及供電模組2對電力傳送處於待機時之供電模組2之輸入阻抗Zin(W)(待機狀態：Waiting，相當於待機時輸入阻抗)之值，則在恆定電壓下流動之電流值變小，由此供電模組之消耗電力降低，且可抑制包含金屬異物之供電模組2所產生之過熱。
另，輸入阻抗Zin(W)(待機狀態：Waiting，待機時輸入阻抗)及輸入阻抗Zin(A)(異常狀態：Abnormality，金屬異物配置時輸入阻抗)廣義上係指未進行無線電力供給時之非傳送時輸入阻抗。
因此，使用無線電力傳送裝置1測定在各種條件下，於供電模組2附近處存在金屬異物之狀態下包含金屬異物之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)、正常充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin(T)、及供電模組2對電力傳送處於待機時之供電模組2之輸入阻抗Zin(W)，並探討其等之相關性。
(測定實驗)
測定實驗1至4所使用之無線電力傳送裝置1中，供電線圈21構成將電阻器R1、線圈L1及電容器C1作為要件之RLC電路，線圈L1部分使
用線徑0.14mm之銅線材，線圈徑設為11mmΦ。此外，供電共振器22構成將電阻器R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路，線圈L2部分使用線徑0.2mm之銅線材，使用線圈徑為11mmΦ之螺線管型線圈。此外，受電共振器32構成將電阻器R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路，線圈L3部分使用線徑0.1mm之銅線材，使用線圈徑為8mmΦ之螺線管型線圈。又，供電線圈31構成將電阻器R4、線圈L4及電容器C4作為要件之RLC電路，線圈L4部分使用線徑0.1mm之銅線材，線圈徑設為8mmΦ。此外，在供電線圈21及供電共振器22之內周側，為了使所形成之磁場空間G1之磁場強度更小，而配置有厚度為300μm之圓筒狀之磁性材。同樣地，在受電共振器32及受電線圈31之內周側，亦配置有厚度為300μm之圓筒狀之磁性材。而且，將測定實驗1至4所使用之無線電力傳送裝置1之R1、R2、R3、R4之值分別設為1.5Ω、2.6Ω、2.1Ω、0.6Ω。此外，將L1、L2、L3、L4之值分別設為13μH、18μH、7μH、2.5μH。又將C1、C2、C3、C4之值分別設為2nF、1.4nF、3.6nF、10nF。此外，供電共振器22及受電共振器32之共振頻率為1MHz。再者，耦合係數k12為0.32、耦合係數k23為0.15、耦合係數k34為0.93。
測定實驗1~4中，藉由阻抗分析儀(本實施形態中，使用Agilent Technologies股份有限公司製造之E5061B)測定如圖9所示進行正常無線傳送時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin(T)，如圖10所示供電模組2對無線電力傳送處於待機時之供電模組2之輸入阻抗Zin(W)，及如圖11所示供電模組2附近處存在金屬異物之狀態下包含金屬異物之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)。此外，測定實驗1~4中，變更金屬異物之種類(鋁、銅、鐵、空氣電池(鎳/鋁)製)而進行測定。另，測定實驗1~4中，使用100Ω之電阻器(RL)替代穩定化電路7、充電電路8及二次電池9。此外，測定包含金屬異物之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)時，
對圖11所示之供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23為3mm時及為2mm時進行測定。
(測定實驗1)
測定實驗1中，針對供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23為3mm時及為2mm時，測定輸入阻抗Zin(T)、輸入阻抗Zin(W)、以及將金屬異物60設為直徑12mmΦ、厚度0.5mm之圓柱形狀之鋁片A、設為直徑9mmΦ、厚度0.5mm之圓柱形狀之鋁片B之情形時之輸入阻抗Zin(A)。其測定結果示於圖12A及圖12B。
若觀察圖12A及圖12B之測定結果(鋁片A、d23=3mm)，可知將電源頻率設定為共振頻率f0時，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值較低，故於恆定電壓下向無線電力傳送裝置1流動之電流值亦變高，從而可有效地進行電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)之值低於輸入阻抗Zin(W)，故與待機狀態相比，於供電模組2附近處配置有鋁片A時，於恆定電壓下流動有較大之電流。亦即可知於供電模組2附近處配置有鋁片A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱較待機狀態變大。
相對於此，可知將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時(例如圖12A及圖12B之f(A))，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下向無線電力傳送裝置1流動之電流值亦變高，從而可有效地進行電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)之值高於輸入阻抗Zin(W)之值，故於供電模組2附近處配置有鋁片A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較小之電流。亦即可知於供電模組2附近處配置有鋁片A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱較待機狀態變小。
根據上述測定結果，將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時，於供電模組2附近處存在金屬異物60(鋁片A)之狀態下，包含金屬異物60之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)之值有時顯示高於輸入阻抗Zin(T)及輸入阻抗Zin(W)之值。而且，此情形時，可知與待機狀態相比，於恆定電壓下流動之電流值變低，不但供電模組之消耗電力減少，並且可抑制包含金屬異物之供電模組2所產生之過熱。
如上所述，將電源頻率設定為共振頻率f0時，輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)之值低於輸入阻抗Zin(W)，於供電模組2附近處配置有鋁片A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較大之電流。然而，將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時，輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)之值有時高於輸入阻抗Zin(W)，於供電模組2附近處配置有鋁片A時，與待機狀態相比，於恆定電流下流動有較小之電流。如圖12A及圖12B所示，可推斷此係緣於供電模組2附近處配置有鋁片A時，對於電源頻率之輸入阻抗Zin(A)之波峰值與輸入阻抗Zin(W)之波峰值相比偏移至高頻側。
此外，如圖12A及圖12B所示，上述傾向即使使用鋁片B作為金屬異物60或將供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23設為2mm時亦相同。
(測定實驗2)
測定實驗2中，針對供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23為3mm時及為2mm時，測定輸入阻抗Zin(T)、輸入阻抗Zin(W)、以及將金屬異物60設為直徑12mmΦ、厚度0.5mm之圓柱形狀之銅片A、及直徑9mmΦ、厚度0.5mm之圓柱形狀之銅片B之情形時之輸入阻抗Zin(A)。其測定結果示於圖13A及圖13B。
若觀察圖13A及圖13B之測定結果(銅片A、d23=3mm)，可知將電源頻率設定為共振頻率f0時，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻
抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(A)(銅片A)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下向無線電力傳送裝置1流動之電流值亦變高，從而可有效地進行電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(銅片A)之值低於輸入阻抗Zin(W)，故於供電模組2附近處配置有銅片A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較大之電流。亦即可知供電模組2附近處配置有銅片A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱大於待機狀態。
相對於此，可知將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時(例如圖13A及圖13B之f(A))，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(A)(銅片A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下向無線電力傳送裝置1流動之電流值亦變高，從而可有效地進行電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(銅片A)之值高於輸入阻抗Zin(W)之值，故供電模組2附近處配置有銅片A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較小之電流。亦即可知供電模組2附近處配置有銅片A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱小於待機狀態。
此外，如圖13A及圖13B所示，上述傾向即使使用銅片B作為金屬異物60或將供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23設為2mm時亦相同。上述測定實驗2之結果亦具有與測定實驗1相同之傾向。
(測定實驗3)
測定實驗3中，針對供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23為3mm及為2mm時，測定輸入阻抗Zin(T)、輸入阻抗Zin(W)、以及將金屬異物60設為直徑12mmΦ、厚度0.5mm之圓柱形狀之鐵片A、及直徑9mmΦ、厚度0.5mm之圓柱形狀之鐵片B之情形時之輸入阻抗Zin(A)。其測定結果示於圖14A及圖14B。
若觀察圖14A及圖14B之測定結果(鐵片A、d23=3mm)，可知將
電源頻率設定為共振頻率f0時，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(A)(鐵片A)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下向無線電力傳送裝置1流動之電流值亦變高，從而可有效地進行電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(鐵片A)之值低於輸入阻抗Zin(W)，故供電模組2附近處配置有鐵片A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較大之電流。亦即，可知供電模組2附近處配置有鐵片A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱大於待機狀態。
相對於此，可知將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時(例如圖14A及圖14B之f(A))，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(A)(鐵片A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下向無線電力傳送裝置1流動之電流值亦變高，從而可有效地進行電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(鐵片A)之值高於輸入阻抗Zin(W)之值，故供電模組2附近處配置有鐵片A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較小之電流。亦即，可知供電模組2附近處配置有鐵片A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱小於待機狀態。
此外，如圖14A及圖14B所示，上述傾向即使於使用鐵片B作為金屬異物60，或將供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23設為2mm時亦相同。上述測定實驗3之結果亦具有與測定實驗1相同之傾向。
(測定實驗4)
測定實驗4中，針對供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23為3mm及為2mm時，測定輸入阻抗Zin(T)、輸入阻抗Zin(W)、以及將金屬異物60設為直徑11.6mmΦ、厚度5.4mm之圓柱形狀之空氣電池A、及直徑7.9mmΦ、厚度5.4mm之圓柱形狀之空氣電池B之情形時之輸入阻抗Zin(A)。其測定結果示於圖15A及圖15B。
若觀察圖15A及圖15B之測定結果(空氣電池A、d23=3mm)，可知將電源頻率設定為共振頻率f0時，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(A)(空氣電池A)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下無線電力傳送裝置1內流動之電流值亦變高，從而可進行效率良好之電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(空氣電池A)之值低於輸入阻抗Zin(W)，故供電模組2附近處配置有空氣電池A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較大之電流。亦即，可知供電模組2附近處配置有空氣電池A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱大於待機狀態。
相對於此，可知將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時(例如圖15A及圖15B之f(A))，所測定之各輸入阻抗之關係為輸入阻抗Zin(A)(空氣電池A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)。據此可知，正常充電狀態下，由於輸入阻抗Zin之值最低，故於恆定電壓下無線電力傳送裝置1內流動之電流值亦變高，從而可進行效率良好之電力傳送。另一方面，由於輸入阻抗Zin(A)(空氣電池A)之值高於輸入阻抗Zin(W)之值，故供電模組2附近處配置有空氣電池A時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較小之電流。亦即，可知供電模組2附近處配置有空氣電池A時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱小於待機狀態時。
此外，如圖15A及圖15B所示，上述傾向即使於使用空氣電池B作為金屬異物60，或將供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23設為2mm時亦相同。上述測定實驗4之結果亦具有與測定實驗1相同之傾向。
(各輸入阻抗Zin(A)、Zin(W)、Zin(T)之設計式)
由上述測定實驗1~4可知，如圖12至圖15所示，於供電模組2附
近處配置有金屬異物60時，相對於電源頻率之輸入阻抗Zin(A)之波峰值與輸入阻抗Zin(W)之波峰值相比偏移至高頻側。因此，將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時，輸入阻抗Zin(A)之值有時高於輸入阻抗Zin(W)，於供電模組2附近處配置有金屬異物60時，與待機狀態相比，於恆定電壓下流動有較小之電流。
基於上述特性，本發明採取如下設計：將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時，相對於所設定之電源頻率之各輸入阻抗Zin之關係滿足輸入阻抗Zin(A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)之條件。
具體而言，為求得正常充電狀態之輸入阻抗Zin(T)，若以等效電路表示包含被供電機器10之無線電力傳送裝置1之構成，則如圖9所示。又，根據圖9之等效電路，輸入阻抗Zin(T)可如(式2)表記。
又，本實施形態之無線電力傳送裝置1之供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32及受電線圈31之阻抗Z1、Z2、Z3、Z4、ZL可分別如(式3)表記。
【數3】
接著，若將(式3)導入(式2)，則成為如(式4)所示者。
此外，為求得待機狀態之輸入阻抗Zin(W)，若以等效電路表示供電模組2之構成，則成為如圖10所示者。又，根據圖10之等效電路，
輸入阻抗Zin(W)可如(式5)表記。
再者，為求得供電模組2附近處存在金屬異物60之狀態下包含金屬異物60之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)，若以等效電路表示包含金屬異物60之供電模組2之構成，則成為如圖11所示者。此處，將金屬異物60當作將電阻Rm及線圈Lm作為要件之RL電路(將供電共振器22之線圈L2與金屬異物60之線圈Lm之間之相互電感設為M2m、將線圈L2與線圈Lm之間之耦合係數設為k2m)。又，根據圖11之等效電路，輸入阻抗Zin(A)可如(式6)表記。
根據上述而設計如下：將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時，對於所設定之電源頻率之各輸入阻抗Zin之關係基於由上述等效電路所示之關係式(式4)~(式6)，滿足輸入阻抗Zin(A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)之條件。
另，為設計成基於由上述等效電路所示之關係式(式4)~(式6)，滿足輸入阻抗Zin(A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)之條件，供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路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及C4之電阻值、阻抗、電容器電容、相互電感及耦合係數k12、k23、k34等，在設計及製造階段等用作可變更之參數。
(測定實驗5)
上述中，已對將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側時，輸入阻抗Zin(A)之值有時高於輸入阻抗Zin(W)之情形進行說明。此處，如上所述，本發明係進行如下設定：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利用共振現象進行電力供給時，可於供電共振器22及受電共振器32之附近處，形成具有較周邊磁場強度更小之磁場強度之磁場空間G1或磁場空間G2。而且，形成磁場空間G1或G2時，係藉由設定為表示供電共振器22及受電共振器32之相對於電源頻率之傳送特性『S21』之圖表具有兩個波峰頻帶，將供給至供電模組2之電力之電源頻率設為與兩個波峰頻帶之任一者對應之電源頻率而實現。本實施形態中，如圖1至圖5所示，為了於供電共振器22與受電共振器32之間形成磁場空間G1，將電源頻率設定為與兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之電源頻率。
如此，可知，為了形成磁場空間G1而將電源頻率設為與兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))對應之電源頻率時，如顯示測定實驗1~4之測定結果之圖12至圖15所示，輸入阻抗Zin(A)之值高於輸入阻抗Zin(W)。
測定實驗5中，實際測定為形了成磁場空間G1而將電源頻率設為與兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))對應之電源頻率時之正常充電狀態之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin(T)、待機狀
態之供電模組2之輸入阻抗Zin(W)、及於供電模組2附近配置有金屬異物60時包含金屬異物60之供電模組2之輸入阻抗Zin(A)。
具體而言，使用測定實驗1~4所使用之無線電力傳送裝置1，連接穩定化電路7、充電電路8及二次電池9作為連接於受電線圈31之被供電機器10。此外，將施加之電壓設為5V、將電源頻率設為1030kHz(f(High P))，將二次電池9之充電電流設為12.5mA。又，與測定實驗1~4同樣地，使用鋁、銅、鐵、空氣電池(鎳/鋁製)作為所使用之金屬異物60。再者，以正常充電狀態之供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23為3mm作為條件進行測定。另外，測定包含金屬異物之供電模組2之電流值時，係針對圖11所示之供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23為3mm及為2mm之情形進行測定。其結果示於圖16。
如圖16所示，將電源頻率設為1030kHz(f(High P))，將供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23設為3mm時，輸入阻抗Zin(W)為84.1Ω，輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)為117.3Ω，輸入阻抗Zin(A)(鋁片B)為96.8Ω，輸入阻抗Zin(A)(銅片A)為121.0Ω，輸入阻抗Zin(A)(銅片B)為96.8Ω，輸入阻抗Zin(A)(鐵片A)為92.2Ω，輸入阻抗Zin(A)(鐵片B)為88.0Ω，輸入阻抗Zin(A)(空氣電池A)為94.4Ω，輸入阻抗Zin(A)(空氣電池B)為86.0Ω，輸入阻抗Zin(T)為69.1Ω，此外，將電源頻率設為1030kHz(f(High P))，將供電共振器22與金屬異物60之間之距離d23設為3mm時，輸入阻抗Zin(W)為84.1Ω，輸入阻抗Zin(A)(鋁片A)為168.3Ω，輸入阻抗Zin(A)(鋁片B)為110.6Ω，輸入阻抗Zin(A)(銅片A)為162.6Ω，輸入阻抗Zin(A)(銅片B)為110.6Ω，輸入阻抗Zin(A)(鐵片A)為101.9Ω，輸入阻抗Zin(A)(鐵片B)為90.0Ω，輸入阻抗Zin(A)(空氣電池A)為101.9Ω，輸入阻抗Zin(A)(空氣電池B)為88.0Ω，輸入阻抗Zin(T)為58.6Ω，
如上述將金屬異物60設為鋁、銅、鐵、空氣電池之任一者時，所測定之各輸入阻抗之關係均為輸入阻抗Zin(A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)。
根據上述可知為了形成磁場空間G1而將電源頻率設定為與兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))對應之頻率頻帶，滿足輸入阻抗Zin(A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)之關係性時，成為正常充電狀態下於無線電力傳送裝置1中流動之電流值>待機狀態下於供電模組2中流動之電流值>於供電模組2附近處配置有金屬異物60時於包含金屬異物60之供電模組2中流動之電流值之關係。藉此，供電模組2附近處配置有金屬異物60時，包含金屬異物60之供電模組2所產生之熱小於待機狀態/正常充電狀態。
(效果)
根據上述構成，藉由將無線電力傳送裝置1設計成將供給至供電模組2之電力之電源頻率設定為與傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶(f(High P))對應之頻率頻帶，滿足金屬異物配置時輸入阻抗Zin(A)>待機狀態時之輸入阻抗Zin(W)>正常充電時之輸入阻抗Zin(T)之條件，即使於供電模組2所具有之供電共振器22附近處配置有金屬異物60時，由於輸入阻抗Zin(A)高於輸入阻抗Zin(W)及輸入阻抗Zin(T)，故與待機狀態相比，包含金屬異物60之供電模組2之電流值變低，從而可抑制發熱或渦電流。
此外，藉由將無線電力傳送裝置1設為滿足上述關係式(式4)~(式6)之電路構成，即使於供電模組2所具有之供電共振器22附近處配置有金屬異物60時，由於輸入阻抗Zin(A)高於輸入阻抗Zin(W)及輸入阻抗Zin(T)，故與待機狀態相比，供電模組2之電流值變低，從而可抑制發熱或渦電流。
(另一實施形態1)
上述實施形態之說明中係設定為如下之構成：尤其在於未設置控制機器(控制部)等，將電源頻率設為較共振頻率f0更高頻側，於供電模組2近處配置有金屬異物60時，藉由與待機狀態之輸入阻抗Zin(W)相比，輸入阻抗Zin(A)之值變高而減小於恆定電壓下流動之電流值，並抑制包含金屬異物60之供電模組2所產生之過熱。
然而，並非限定於此，無線電力傳送裝置1亦可為如下構成：無線電力傳送裝置1進而設置有：檢測器，其檢測輸入阻抗；及控制部，其於檢測器所檢測出之輸入阻抗顯示大於輸入阻抗Zin(W)之值時，判定處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態。
具體而言，預先測定未自充電器101對無線式耳機102所具備之二次電池9充電，而處於待機狀態時之輸入阻抗Zin(W)之範圍(例如，對控制部所具備之記憶裝置記憶處於待機狀態時之輸入阻抗Zin(W)之範圍，以供參照)，由檢測器檢測出該範圍之輸入阻抗Zin時，判定對於充電為待機狀態。另一方面，檢測器所檢測出之輸入阻抗Zin顯示大於處於待機狀態時之輸入阻抗Zin(W)之範圍之值時，則判定為處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態。
此外，控制部亦可以判定處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態時，停止對供電模組2之電力供給之方式進行控制。
進而，無線電力傳送裝置1亦可設為具備向外部報知之報知裝置(警報、燈、顯示器等)，控制部於判定處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態時，藉由報知裝置報知處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態。例如，若報知裝置為警報裝置，則藉由警示音報知異常，若為LED燈，則藉由使警示色亮起或熄滅而報知異常；若為顯示器，則藉由將警示訊息顯示於顯示器而報知異常。
根據上述構成，於檢測器所檢測出之輸入阻抗顯示大於輸入阻抗Zin(W)之值時，可判定為處於供電共振器22附近處配置有金屬異物
60之狀態，從而可實現安全之電力供給。
再者，藉由控制部於判定處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態時，停止對供電模組2之電力供給，可事先防止金屬異物60配置於供電共振器22附近處之狀態下之電力供給造成之不良(發熱/渦電流)之產生。
此外，控制部判定處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態時，藉由報知裝置向外部報知處於供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態。
(另一實施形態2)
再者，已對上述無線電力傳送裝置1中，滿足輸入阻抗Zin(A)>輸入阻抗Zin(W)>輸入阻抗Zin(T)之關係性時，成為正常充電狀態下於無線電力傳送裝置1中流動之電流值>待機狀態下於供電模組2中流動之電流值>供電模組2附近處存在金屬異物60時之於包含金屬異物60之供電模組2中流動之電流值之關係。因此，本發明進而提供可利用此種電流值之關係，控制對供電模組2之電力供給之開始/阻斷(電力供給導通/斷開控制)之構成。
具體而言，如圖17所示，無線電力傳送裝置1設為於供電模組2之供電線圈21與AC/DC電源20之間連接電源電路5之構成。而且，電源電路5設為包含振盪輸出器11、電流檢測器12及比較電路13之構成。
振盪輸出器11係由將電力之電源頻率設定為特定值之振盪器(逆變器電路等)或可藉由來自外部之控制信號(後述之導通控制信號、斷開控制信號)，進行對供電模組2之電力供給之導通/斷開切換之開關電路等構成。
電流檢測器12係可檢測自振盪輸出器11輸出至供電模組2之電流值之電流計。另，本實施形態中，係藉由測定電壓而測定電流值。
比較電路13係如下之比較器：將由電流檢測器12檢測出之第1電流值與預設之閾值進行比較，判定第1電流值為閾值以上時，於經過特定時間後，再將由電流檢測器12檢測出之第2電流值與閾值進行比較，判定第2電流值小於閾值時，對振盪輸出器11輸出將對供電模組2之電力供給設為斷開之斷開控制信號。
此處，閾值設為自供電模組2對受電模組3進行無線電力供給時輸入至供電模組2之電流值與未自供電模組2對受電模組3進行無線電力供給時輸入至供電模組2之電流值之間。
具體而言，如上所述，由於滿足金屬異物配置時之輸入阻抗Zin(A)>待機狀態時之輸入阻抗Zin(W)>正常充電狀態時之輸入阻抗Zin(T)之條件，故亦滿足供電模組2與受電模組3之間進行無線電力供給時(正常充電狀態)之電流值(傳送時輸入電流值)>處於待機狀態時之電流值(待機時輸入電流值)>供電模組2所具有之供電共振器22附近處配置有金屬異物時(異常狀態)之電流值(金屬異物配置時輸入電流值)之關係。因此，本實施形態中，將閾值設為傳送時輸入電流值與待機時輸入電流值之間。另，若為滿足如上條件之範圍，則可隨意設定閾值。
(電力供給導通/斷開控制流程)
接著，根據圖18之流程圖說明電源電路5所執行之電力供給導通/斷開控制。
首先，以電流檢測器12進行最初之電流值(第1電流值)之檢測(S11)。接著，比較電路13判斷所檢測出之第1電流值是否為上述閾值(預設)以上(S12)。
進而，於檢測出之第1電流值並非為閾值以上時(S12：否)，進行至S11。另一方面，於檢測出之第1電流值為閾值以上時(S12：是)，則於經過特定時間後，再度以電流檢測器12進行電流值(第2電流值)
之檢測(S13)。
接著，比較電路13判斷所檢測出之第2電流值是否小於上述閾值(S14)。接著，於所檢測出之第2電流值不小於閾值時(S14：否)，即第1電流值及第2電流值均為閾值以上之情形時，向振盪輸出器11輸出將對供電模組2之電力供給設為導通之導通控制信號(S15)。結果，振盪輸出器11對供電模組2進行電力供給(開關電路導通)。
另一方面，於所檢測出之第2電流值小於閾值時(S14：是)，亦即從閾值以上之電流值(第1電流值)經過特定時間而降至小於閾值之電流值(第2電流值)時，對振盪輸出器11輸出將對供電模組2之電力供給設為斷開之斷開控制信號(S16)。結果，振盪輸出器11阻斷對供電模組2之電力供給(開關電路斷開)。
藉由反復進行上述流程而執行電力供給導通/斷開控制。
根據上述無線電力傳送裝置1，其設為如下之構成：藉由檢測電流值之變化，判斷是否已自正常進行無線電力供給之狀態(正常充電狀態)過渡至待機狀態或供電共振器22附近處配置有金屬異物之狀態，於已自正常充電狀態過渡至待機狀態或供電共振器22附近處配置有金屬異物之狀態時，振盪輸出器11阻斷對供電模組2之電力供給。藉此，可抑制消耗電力。
再者，根據上述構成，藉由將無線電力傳送裝置1設計成滿足金屬異物配置時輸入阻抗Zin(A)>待機狀態時輸入阻抗Zin(W)>傳送時輸入阻抗Zin(T)之條件，可滿足供電模組2與受電模組3之間進行無線電力供給時之傳送時輸入電流值>供電模組2與受電模組3之間未進行無線電力供給，供電模組2對電力傳送處於待機狀態時之待機時輸入電流值>供電模組2所具有之供電共振器22附近處配置有金屬異物60時之金屬異物配置時輸入電流值之關係。又，閾值設為傳送時輸入電流值與待機時輸入電流值之間。
該情形時，由於供電模組2所具有之供電共振器22附近處配置有金屬異物60時之金屬異物配置時輸入電流值檢測出小於閾值之值，故對其施以與供電模組2與受電模組3之間未進行無線電力供給，供電模組2對輸電處於待機狀態時相同之處理。
藉此，無線電力傳送裝置1中，自進行無線電力供給之狀態過渡至於供電模組2所具有之供電共振器22附近處配置有金屬異物60之狀態時，藉由將對供電模組2之電力供給設為斷開(阻斷)，可事先防止金屬異物60配置於供電共振器22附近處之狀態下之電力供給造成之不良(發熱/渦電流)之產生。
另，上述中，關於可控制對供電模組2之電力供給之開始/阻斷之電源電路5，雖已基於將電源頻率設定為與傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶之無線電力傳送裝置1而進行說明，但亦可應用於將電源頻率設定為與傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於低頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶之情形。
該情形時，無線電力傳送裝置1若具有金屬異物配置時輸入阻抗Zin(A)<待機時輸入阻抗Zin(W)<傳送時輸入阻抗Zin(T)之關係性，則由於具有供電模組2與受電模組3之間進行無線電力供給時之傳送時輸入電流值<供電模組2與受電模組3之間未進行無線電力供給且供電模組2對電力傳送處於待機狀態時之待機時輸入電流值<於供電模組2所具有之供電共振器22之附近處配置有金屬異物60時之金屬異物配置時輸入電流值之關係，故將閾值設為傳送時輸入電流值與待機時輸入電流值之間。此外，比較電路13將由電流檢測器12所檢測出之第1電流值與預設之閾值進行比較，判定第1電流值為閾值以下時，於經過特定時間後，再度將由電流檢測器12檢測出之第2電流值與閾值進行比較，判定第2電流值大於閾值時，對振盪輸出器11輸出將對供電模組2之電力供給設為斷開之斷開控制信號。
(另一實施形態3)
再者，上述製造方法之說明中，雖例示無線式耳機102而說明，但若為具備二次電池之機器，則亦可用於平板型PC、數位相機、行動電話、耳掛式音樂播放器、助聽器及集音器等。
此外，上述說明中，雖已例示利用供電模組2及受電模組3所具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁振狀態)使磁場耦合而進行電力傳送之無線電力傳送裝置1而說明，但亦可應用於利用供電裝置及受電裝置所具備之線圈間之共振及電磁感應進行電力傳送之無線電力傳送裝置。
再者，上述說明雖假設為無線電力傳送裝置1搭載至攜帶型電子機器之情形而進行說明，但其用途並非限定於該等小型者，藉由視必要電力量而改變其規格，例如亦可將其搭載於較大型之電動汽車(EV)之無線充電系統，或較小型之醫療用無線式胃鏡等。
以上之詳細之說明中，為可更容易地理解本發明，而以特徵部分為中心進行說明，但本發明並不限定於以上詳細之說明中所記載之實施形態、實施例，亦可應用於其他實施形態、實施例，其應用範圍應儘可能廣泛地解釋。又，本說明書中使用之術語及表達方法係用於恰當地說明本發明者，並非用於限制本發明之解釋。又，認為只要是本領域技術人員均可根據本說明書所記載之發明之概念而容易推想出本發明之概念所涵蓋之其他構成、系統、方法等。因此，申請專利範圍之記載應被視為包含在不脫離本發明之技術理念之範圍內均等之構成者。又，為充分理解本發明之目的及本發明之效果，期望充分參酌已揭示之文獻等。
1‧‧‧無線電力傳送裝置
2‧‧‧供電模組
3‧‧‧受電模組
6‧‧‧交流電源
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
G1‧‧‧磁場空間
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‧‧‧相互電感
M23‧‧‧相互電感
M34‧‧‧相互電感
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
RL‧‧‧電路
Zin‧‧‧輸入阻抗
ZL‧‧‧合計負荷阻抗
Claims (7)
- 一種無線電力傳送裝置，其特徵在於：供電模組所具有之供電共振器及受電模組所具有之受電共振器相對於電力之電源頻率之傳送特性之值係設定成具有兩個波峰頻帶，藉由在供電模組與受電模組之間引發共振現象而供給電力；其中將上述電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶；且將上述電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶時之上述供電共振器與上述受電共振器為對向配置之狀態之無線電力傳送裝置之傳送時輸入阻抗、上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態下之無線電力傳送裝置之金屬異物配置時輸入阻抗、及上述供電模組之待機時輸入阻抗之關係，滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件。
- 如請求項1之無線電力傳送裝置，其中上述供電模組至少具有供電線圈及上述供電共振器；上述受電模組至少具有上述受電共振器及受電線圈；上述供電線圈具備將電阻R1、線圈L1及電容器C1作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z1；上述供電共振器具備將電阻R2、線圈L2及電容器C2作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z2；上述受電共振器具備將電阻R3、線圈L3及電容器C3作為要件之RLC電路，將其合計阻抗設為Z3；上述受電線圈具備將電阻R4、線圈L4及電容器C4作為要件之 RLC電路，將其合計阻抗設為Z4；將由上述受電線圈供電之機器之合計負荷阻抗設為ZL；將上述供電線圈之線圈L1與上述供電共振器之線圈L2之間之相互電感設為M12；將上述供電共振器之線圈L2與上述受電共振器之線圈L3之間之相互電感設為M23；將上述受電共振器之線圈L3與上述受電線圈之線圈L4之間之相互電感設為M34；將上述供電共振器之線圈L2與上述金屬異物之線圈Lm之間之相互電感設為M2m；將構成上述供電線圈、上述供電共振器、上述受電共振器及上述受電線圈之複數個電路元件之各元件值及上述相互電感作為參數，將上述金屬異物當作將電阻Rm及線圈Lm作為要件之RL電路；且以下列設計式表示上述金屬異物配置時輸入阻抗、上述待機時輸入阻抗及上述傳送時輸入阻抗
- 如請求項1之無線電力傳送裝置，其包括檢測器，其檢測輸入阻抗；及控制部，其於上述檢測器所檢測出之輸入阻抗顯示大於上述待機時輸入阻抗之值時，判定處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態。
- 如請求項3之無線電力傳送裝置，其中上述控制部判定處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，停止對上述供電模組之電力供給。
- 如請求項3之無線電力傳送裝置，其包括報知裝置，其向外部進行報知；且上述控制部判定處於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態時，藉由上述報知裝置報知處於上述供電共振器附近處 配置有金屬異物之狀態。
- 一種無線電力傳送裝置，其特徵在於：上述供電模組所具有之供電共振器及受電共振器所具有之受電共振器相對於電力之電源頻率之傳送特性之值具有兩個波峰頻帶；上述電源頻率設定為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶時，上述供電模組與上述受電模組之間進行無線電力供給時之傳送時輸入阻抗，及未進行無線電力供給時之非傳送時輸入阻抗之關係滿足非傳送時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件；該無線電力傳送裝置具備：振盪輸出器，其可進行對上述供電模組之電力供給之導通/斷開切換；電流檢測器，其檢測自上述振盪輸出器輸入至上述供電模組之電流值；及比較電路，其將由上述電流檢測器檢測出之第1電流值與閾值進行比較，於判定由上述電流檢測器檢測出之第1電流值為上述閾值以上時，其後再度將由上述電流檢測器檢測出之第2電流值與上述閾值進行比較，於判定上述第2電流值小於上述閾值時，將使上述振盪輸出器對上述供電模組之電力供給設為斷開之斷開控制信號輸出至上述振盪輸出器，且上述閾值係設定為於上述供電模組及上述受電模組之間進行無線電力供給時輸入至上述供電模組之電流值、與上述供電模組及上述受電模組之間未進行無線電力供給時輸入至上述供電模組之電流值之間。
- 如請求項6之無線電力傳送裝置，其中將上述電源頻率設為與上述傳送特性之兩個波峰頻帶中形成於高頻側之波峰頻帶對應之頻率頻帶時，上述供電共振器與上 述受電共振器為對向配置之狀態下之無線電力傳送裝置之傳送時輸入阻抗、於上述供電共振器附近處配置有金屬異物之狀態下之無線電力傳送裝置之金屬異物配置時輸入阻抗、及於上述供電模組之待機時輸入阻抗之關係，滿足金屬異物配置時輸入阻抗>待機時輸入阻抗>傳送時輸入阻抗之條件。
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