專利名稱：無線電力傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以非接觸方式補給或收集(集電)能量的無線電力傳輸系統(tǒng)。
背景技術：
在電子設備的靈活性確保/防水對應、壁掛電視的無布線化、甚至是為了方便對電動汽車等的大型設備進行充電，非觸點/非接觸方式的能量補給技術得到高度關注。作為非接觸的電力傳輸方式，并不僅僅是以往所研究的電磁感應方式，還提出了專利文獻1所述的磁共振方式。利用共振天線間的共振模式間耦合，通過現有的電磁感應方式能夠進行長距離、高效率的電力傳輸，特別是如果利用共振磁場，則較之利用了共振電場的情況，還能夠避免對周圍生物體的影響。對于磁共振方式，若進一步詳細敘述，則像專利文獻1的說明書中第W033]段所述那樣，共振器可以在兩端開放的環(huán)狀線圈中采用固有的自共振現象。此外，如第W038] 段所述那樣，也可以是加感之后的線圈。在專利文獻2的第W006]段落中公開了如下的例子，由于在送電線圈或受電線圈中流過較大的電流，因此以減少所產生的發(fā)熱為目的，將絞合線、編織線等多芯線用于線圈的布線部。此外，在專利文獻3中記載了 不使在非接觸電力傳輸中使用的天線(線圈)大型化，作為提高其Q值的方法，并聯連接多個繞組。現有技術文獻專利文獻1 美國申請公開2008/0278264-A1公報(圖6、圖11)專利文獻2 日本國特開2008-104319號公報的段落W006]專利文獻3 日本國特開平7463935號公報(圖3)在現有的磁共振方式的無線電力傳輸系統(tǒng)中存在如下課題在送電共振器和受電共振器之間存在尺寸差異的情況下，難以將傳輸效率持續(xù)維持在較高的值，為了避免這種情況則需要明顯增加布線總量。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種在送受電共振器之間存在尺寸差的無線電力輸送系統(tǒng)中，能夠維持高的傳輸效率而不必無謂地增加布線總量的無線電力傳輸系統(tǒng)。本發(fā)明的無線電力傳輸系統(tǒng)，其具備送電共振器及受電共振器，經由共振頻率f0 的共振磁場以非接觸方式傳輸電力，其中所述送電共振器及所述受電共振器的一方具有第 1電感器，且另一方具有第2電感器，該第1電感器具有第1尺寸，第2電感器具有比所述第 1尺寸小的第2尺寸，構成所述第2電感器的至少一部分布線的共振頻率fO處的每單位長度的電阻值Rs被設定得低于構成所述第1電感器的布線的共振頻率f0處的每單位長度的電阻值RL。
在優(yōu)選的實施方式中，構成所述第2電感器的布線具有并聯布線構造，構成所述第2電感器的至少一部分布線中的并聯布線數具有比構成第1電感器的布線的數量大的值。在優(yōu)選的實施方式中，構成所述第1電感器及所述第2電感器的布線都具有并聯布線構造，構成所述第2電感器的至少一部分布線中的并聯布線數具有比構成第1電感器的布線的并聯布線數大的值。在優(yōu)選的實施方式中，所述第2電感器所包含的的一部分布線其直徑、厚度、和高度的至少一個大于構成所述第1電感器的布線。在優(yōu)選的實施方式中，在構成所述第2電感器的布線的最外廓以外的部分中，電阻值Rs被設定得低于電阻值RL。在優(yōu)選的實施方式中，在構成所述第2電感器的布線的至少最內廓的部分中，電阻值Rs被設定得低于電阻值RL。在優(yōu)選的實施方式中，所述無線電力傳輸系統(tǒng)還具備向所述送電共振器供電的送電器，使所述送電共振器與所述受電共振器之間的傳輸效率最大化的所述送電共振器的最佳輸入阻抗和所述送電器的輸出阻抗相一致。在優(yōu)選的實施方式中，所述無線電力傳輸系統(tǒng)還具備從所述受電共振器接受電力的受電器，使所述送電共振器與所述受電共振器之間的傳輸效率最大化的所述受電共振器的最佳輸出阻抗和所述受電器的輸入阻抗相一致。在優(yōu)選的實施方式中，所述受電器的輸出阻抗與負載阻抗相一致。發(fā)明效果根據本發(fā)明的無線電力傳輸系統(tǒng)，即便在送電和受電共振器之間存在尺寸差，也能夠在不無謂地增加布線總量的情況下維持較高的傳輸效率。因此，能夠提供一種可實現省資源、質量輕、容積小、低成本的無線電力傳輸系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的實施方式1中的無線電力傳輸系統(tǒng)的框圖。圖2是表示本發(fā)明的實施方式1中的送電共振器及受電共振器的圖。圖3是本發(fā)明的實施方式1中的無線電力傳輸系統(tǒng)的立體示意圖。圖4(a)、(b)及(C)是表示并聯布線構造的一例的垂直于長軸方向的剖視圖。圖5(a)、(b)及(C)是表示并聯布線構造其他例子的垂直于長軸方向的剖視圖。圖6是本發(fā)明的實施方式1中的小型天線的立體示意圖。圖7是本發(fā)明的無線電力傳輸系統(tǒng)的構成框圖。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的無線電力傳輸系統(tǒng)的實施方式。在圖中所示的XYZ 坐標中，將作為送電共振器或受電共振器的構成要素的電感器的配置面設為XY平面，將電感器的高度方向設為Z方向。在圖中，對于相同或對應的構成要素附于相同的參照序號。實施方式1圖1是表示本發(fā)明的實施方式1中的無線電力傳輸系統(tǒng)的結構框圖。
如圖1所示，本實施方式的無線電力傳輸系統(tǒng)具備送電共振器105及受電共振器 107，在送電共振器105和受電共振器107之間，經由共振磁場以非接觸方式來傳輸電力。在該無線電力傳輸系統(tǒng)中，被設計成送電共振器105及受電共振器107以頻率f0進行共振。送電共振器105連接送電器103。送電器103從未圖示的電源獲取直流或交流的能量(電能)，變換為頻率f0的RF能量。從送電器103輸出的RF能量被提供給送電共振器105。按照以同一頻率進行共振的方式構成的送電共振器105及受電共振器107，通過共振磁場(共振頻率f0)進行耦合。因此，受電共振器107能夠有效地接收由送電共振器105 送出的RF能量。在本說明書中，由于在以共振頻率f0振動的共振磁場中進行無線電力傳輸，因此有時將共振頻率f0稱為傳輸頻率。接下來，參照圖2。圖2表示送電共振器105及受電共振器107的等效電路的一例。在圖2所示的例子中，送電共振器105是電感器10 及電容元件10 串聯連接而成的串聯共振電路。另一方面，受電共振器107是電感器107a及電容元件107b并聯連接而成的并聯共振電路。其中，送電共振器105的串聯共振電路具有電阻分量Rl，受電共振器107的并聯共振電路具有電阻分量R2。在圖2的例子中，盡管送電共振器105由串聯共振電路構成，受信共振器109由并聯共振電路構成，但是本發(fā)明并不限定于該例子。也可以是送電共振器105及受電共振器 107的一方由串聯共振電路構成，還可以雙方都由串聯共振電路或并聯共振電路構成。此夕卜，還可以是使共振器和外部電路在直流上分離經由未圖示的電磁感應線圈從外部電路向共振器供給RF能量的電路結構。在這種情況下，既可以使構成共振器的布線的兩端開放， 也可以經由電容而形成閉合環(huán)路。無論在哪種情況下，自共振頻率都被設定為與傳輸頻率相同的值。以下，參照圖3詳細說明本實施方式中的送電共振器105及受電共振器107的結構。圖3是表示本實施方式中的送電共振器105及受電共振器107的結構例的立體圖。在本發(fā)明中，送電共振器105及受電共振器107的一方具有第1電感器LL，并且另一方具有第2電感器Ls，其中，第1電感器LL具有第1尺寸，第2電感器Ls具有比第1 尺寸小的第2尺寸。此外，在本說明書中，電感器的「尺寸」是指由電感器的布線所包圍的區(qū)域的面積。電力傳輸在送電共振器105和受電共振器107之間進行，送電共振器105及受電共振器107的特性是雙向的。在此，為了簡單起見，在以下說明的例子中尺寸相對較大的電感器(大型電感器)LL是送電共振器105中的電感器(送電電感器)，尺寸相對較小的電感器(小型電感器)Ls是受電共振器107中的電感器(受電電感器)。以下，詳細說明這些電感器的結構。本實施方式中的送電共振器105是送電電感器LL和送電電容器CL的串聯共振電路。另一方面，受電共振器107是受電電感器Ls和受電電容器Cs的串聯共振電路。將構成送電電感器LL的布線的頻率f0處的每單位長度的電阻值設為“電阻值RL”，將構成受電電感器Ls的布線的頻率f0處的每單位長度的電阻值設為“電阻值Rs”。在本實施方式中， 構成受電電感器Ls的至少一部分布線的電阻值Rs，被設定為低于構成送電電感器LL的至少一部分布線的電阻值RL。典型方式下，構成送電電感器LL的布線的電阻值RL，具有在全部路徑中恒定的值。但是，在構成送電電感器LL的一部分，電阻值RL可以被設定得低于其他部分。螺旋形狀的電感器LL、Ls可以各自具有串聯連接了無線電力傳輸頻率f0處的每單位長度的電阻值互不相同的布線的構造，也可以具有各自的電阻值恒定的布線構造。在圖3中，圖示了具備含有多根導體布線(線材)20的并聯構造的電感器剖面結構例。為了將構成電感器的布線的特定部分(低電阻部分)中的每單位長度的布線電阻設定得低于其他部分，有效的方法是在該特定部分的布線材料中采用導電率高的材料、或者采用較之其他部分增加布線數的并聯布線構造。此外，為了防止布線表面氧化而使用導電率高的材質的金屬進行鍍覆也是有效的。在采用并聯布線構造的情況下，進一步優(yōu)選將并聯配置的多根布線彼此搓捻在一起進行配置。圖4是表示并聯布線構造的一例的剖視圖。圖4(a)表示電阻值比較高的布線構造的剖面的一例，圖4(b)表示電感器布線中的低電阻部分的剖面的一例。在低電阻部分中，并聯配置了根數比其他布線部分多的線材20。如圖3所示的例子，在小型的受電電感器 Ls及大型的送電電感器LL的雙方具有并聯布線構造的情況下，只要構成受電電感器Ls的布線的至少一部分中的并聯布線數具有大于構成送電電感器LL的布線的并聯布線數的值即可。不過，沒有必要雙方的電感器LL、Ls都具有并聯布線構造。要在電感器布線的一部分中設置低電阻部分，可以如圖4(c)所示那樣不改變并聯配置的線材20的根數，而將線材20的直徑設定得大于其他部分的線材20的直徑。圖5表示電感器的其他剖面結構例。圖5(a)表示電阻值比較高的布線的剖面的一例，圖5(b)及圖5(c)分別表示低電阻部分的剖面的例子。在圖5(b)所示的低電阻部分， 不改變并聯配置的線材20的根數，而是將線材20的厚度設定得大于其他部分的線材20的厚度。此外，在圖5(c)所示的低電阻部分中，不改變并聯配置的線材20的根數，而是將線材20的寬度設定得大于其他部分的線材20的寬度。在低電阻部分中，直徑、厚度、及/或寬度比其他部分的值大的線材的根數至少是一根即可。再次參照圖3。電感器LL、Lc所連接的電容CL、Cs被設定成共振器105、107的共振頻率與電磁能量的傳輸頻率f0相同。無線電力傳輸系統(tǒng)的傳輸效率很大地依賴于電感器中的損耗。為了降低電感器中的損耗，優(yōu)選使電感器布線的導體構造為并聯方式，降低每單位長度的電阻值。但是，在圖3 所示那樣送受電感器的尺寸不同的情況下，要在非常大的面積中形成的送電共振器105中為了實現導體損耗降低而在布線路徑的整體中實現布線電阻降低，這從布線重量、低成本化的觀點出發(fā)不是一個現實的方法。在本發(fā)明中，通過現實的方法有效地改善送受電感器的尺寸不同的無線電力傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。也就是說，優(yōu)先改善對傳輸效率帶來特別大的影響的、更小型的電感器中的損耗。小型電感器Ls與大型電感器LL相比，由于周圍的磁場密度較強，因此導體中產生的渦電流將會使其產生更多的損耗。由此，越是優(yōu)先排除該影響，那么在發(fā)送和接收尺寸不對稱的電力傳輸中在效率改善方面越能夠獲得更好的效果。此外，與改善大型電感器LL 的電阻值相比，改善小型電感器Ls的電阻值能夠在不會無謂地增加布線量的情況下實現。 以上，通過采用本發(fā)明的結構，能夠避免布線量的增加的同時，可改善傳輸效率。(部分的布線電阻降低的效果)
在本發(fā)明的無線電力傳輸系統(tǒng)的電感器Ls中，為了改善傳輸效率而降低布線電阻值時，不需要在電感器Ls的所有布線路徑中降低布線電阻。即便通過降低電感器Ls的一部分路徑中的布線電阻，也能夠實現本發(fā)明的效果。圖6是放大表示小型電感器Ls的結構的示意圖。在圖6所示的例子中，通過在小型電感器Ls的螺旋內廓側的布線中設置低電阻部分，可抑制布線量的增加同時有效地改善傳輸效率。小型電感器Ls的內廓側與外廓側相比，其周圍的磁場密度較強。因此，在螺旋的內廓側，導體中產生的渦電流使其發(fā)生更多的損耗。越是優(yōu)先排除該影響，則在接收和發(fā)送電感器的尺寸不同的電力傳輸系統(tǒng)中在效率改善方面越能夠獲得更好的效果。此外， 與改善大型電感器LL的電阻值相比，改善小型電感器Ls的電阻值可以在不會無謂地增加布線量的情況下實現。以上，通過采用本發(fā)明的結構，能夠進一步避免布線量的增加，能夠有效地改善傳輸效率。(各模塊間的阻抗匹配)圖7是用于說明本發(fā)明的無線電力傳輸系統(tǒng)中的阻抗匹配的圖。在圖7中，省略了進行反饋控制的功能模塊等。實現這些功能的未圖示的模塊可根據需要追加。匹配條件1 按照送電器103的輸出阻抗ZTo與送電共振器的最佳輸入阻抗ZTxO 相一致的方式進行設計。由此，能夠降低因送電器103和送電共振器105之間的阻抗不匹配引起的能量反射。匹配條件2 按照受電共振器107的最佳輸出阻抗ZRxO與受電器109的輸入阻抗 ZRi相一致的方式進行設計。由此，能夠降低因受電共振器107和受電器109之間的阻抗不匹配引起的能量反射。匹配條件3 按照在輸入阻抗的情況下受電器109動作時的輸出阻抗ZRo與負載阻抗RL相一致的方式進行設計。由此，能夠降低因受電器109與負載11之間的阻抗不匹配引起的能量反射。通過同時滿足上述三個匹配條件，能夠使傳輸效率最大化。不過，上述的三個匹配條件也可以不必同時滿足。(送電共振器與受電共振器的個數)在傳輸系統(tǒng)內包含的送電共振器和受電共振器并沒有被限定為各自一臺。在送電共振器組和受電共振器組之中，在進行電力傳輸的組合之中的至少一組的、尺寸不對稱的送電共振器和受電共振器的組合中，只要采用上述的電阻值降低的結構就可獲得本發(fā)明的有益效果。(電路元件的具體結構)在送電共振器及受電共振器中，電容電路CL、Cs可以由芯片電容元件、陶瓷電容器、鉭電解電容器、鋁電解電容器、云母電容器、電二重層電容器、真空電容器、在半導體工藝等形成的MIM構造等的集中常數電路元件來實現。此外，可以考慮布線中分布產生的寄生電容的值來決定上述集中常數電路元件的電容值。小型電感器Ls、大型電感器LL的形狀并不限定于矩形。既可以是橢圓形狀，也可以是任意的非對稱形狀。還可以代替螺旋形狀而具有環(huán)路形狀。在采用矩形螺旋形狀的情況下，優(yōu)選在角部分具有一定以上的曲率。不包含角度急劇變化的部分的布線形狀能夠避免高頻電流的集中、周圍空間的磁場集中，可提高傳輸效率。
構成電感器的布線并不限于具有平面單層結構，也可以具有疊層構造。此外，由于共振器105、107具有有限的Q值，因此共振現象在頻率軸上具有一定范圍。因此，即便在共振器105、107的共振頻率與電磁能量的傳輸頻率f0不是嚴格一致的情況下，也能夠進行電力傳輸。此外，即便在因共振器間耦合而使得共振器105、107的共振頻率發(fā)生變化的情況下，通過追蹤傳輸頻率、或者變更傳輸系統(tǒng)的端子阻抗，也能夠實現良好的電力傳輸。此外，由于制造偏差使得共振器105、107的共振頻率互不相同的情況下，也可以在共振頻率附近的頻率處實現傳輸。另外，共振器105、107也可以具有可變功能。也就是說，可以采用如下結構通過切換或者連續(xù)地改變構成共振器的電感器、電容器的數值，由此能夠改變傳輸系統(tǒng)的傳輸阻抗和共振頻率。實施例為了實際證明本發(fā)明的有益效果，制作了具有圖3所示結構的送電共振器和受電共振器。具體而言，制作以下的表1所示的實施例及比較例。制作的步驟如下所示。 首先，制作將一邊20cm的大型電感器LL、一邊5cm的小型電感器Ls作為構成要素的各自正方形的送電共振器和受電共振器。送電共振器與受電共振器的面積比為16。各電感器都是相鄰布線間隔2mm、卷繞數6的螺旋電感器。從各個螺旋的內部終端點和外部終端點引出兩根引線。并且，按照與螺旋布線串聯的方式，連接由疊層芯片電容器構成的送電電容器(送電共振器105pF)和受電電容器(1920pF)，形成共振頻率1. 8MHz的共振器。在共振器與輸入輸出外部電路之間的耦合中利用電磁感應電路。作為電感器的布線，采用并聯了多根直徑200微米的銅布線而成的絞合線，降低共振器的導體損耗?？筛鶕嫵山g合線的并聯銅布線的根數來改變螺旋布線的每單位長度的布線電阻。按照表1中所示那樣設定螺旋布線路徑內的絞合線的并聯布線根數。這樣， 作為送電共振器制作四種的共振器T4、T5、T6、T7，受電共振器也制作四種的共振器R4、R5、 R6、R7。在共振器T5、R5中，電感器由單一的布線形成，各個部分都未設置低電阻部分。另一方面，在共振器T6、R6中，在電感器中內廓側3圈的部分采用10根并聯布線，降低內廓側 3圈部分的共振頻率處電阻值。共振器T7、R7在電感器的外廓側3圈的部分采用10根并聯布線，來降低外廓側3圈部分的共振頻率處的電阻值。共振器T4、R4在電感器的整體中采用10根并聯布線，由此在布線整體中降低共振頻率處的電阻值。如以上說明可知，在受電側的小型的共振器R6、R7中具有如下的電感器構造，即 共振頻率f0處的每單位長度的電阻值Rs不恒定，一部分布線路徑的電阻值低于其他部分。 此外，在受電側的小型的共振器R4中具有如下的電感器構造，即共振頻率f0處的每單位長度的電阻值Rs在布線路徑的整體被降低。如表1所示，通過改變送電共振器中的電感器和受電共振器中的電感器的組合， 可構成8組的傳輸系統(tǒng)(實施例1 3，比較例1、加 2c、3)。例如，如表1所示，比較例 1是在送電共振器中使用電感器T5、在受電共振器側使用電感器R5的系統(tǒng)。針對表1所示的各系統(tǒng)測量共振器間傳輸特性。在傳輸特性測量時，按照使各電感器形成面平行地離開20cm來進行配置的結構來固定送電及受電共振器。兩電感器的重心固定在χ = y = 0的坐標點。將接近兩電感器的電磁感應線圈的輸入輸出端子連接于網絡分析器，在小信號輸入條件下測量通過/反射特性，測量使共振器間傳輸效率最大化的最佳阻抗值及最大傳輸效率。表1中表示實施例和比較例的結構及傳輸特性的比較。此外，表1中表示實施例和比較例的總布線量與比較例1(在兩電感器的全部路徑中完全沒有采用布線并聯的結構) 中使用的布線量之比。表1
權利要求
1.一種無線電力傳輸系統(tǒng)，具備送電共振器及受電共振器，經由共振頻率f0的共振磁場以非接觸方式傳輸電力，其中，所述送電共振器及所述受電共振器的一方具有第1電感器，且另一方具有第2電感器， 該第1電感器具有第1尺寸，該第2電感器具有比所述第1尺寸小的第2尺寸，構成所述第2電感器的至少一部分布線的共振頻率f0處的每單位長度的電阻值Rs，被設定得低于構成所述第1電感器的布線的共振頻率f0處的每單位長度的電阻值RL。
2.根據權利要求1所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中，構成所述第2電感器的布線具有并聯布線構造，構成所述第2電感器的至少一部分布線中的并聯布線數，具有比構成第1電感器的布線的數量大的值。
3.根據權利要求1所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中，構成所述第1電感器及所述第2電感器的布線都具有并聯布線構造， 構成所述第2電感器的至少一部分布線中的并聯布線數具有比構成第1電感器的布線的并聯布線數大的值。
4.根據權利要求1至3的任意一項所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中，所述第2電感器所包含的的一部分布線其直徑、厚度、和高度的至少一個大于構成所述第1電感器的布線。
5.根據權利要求1至4的任意一項所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中，在構成所述第2電感器的布線的最外廓以外的部分中，電阻值Rs被設定得低于電阻值RL0
6.根據權利要求5所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中，在構成所述第2電感器的布線的至少最內廓的部分中，電阻值Rs被設定得低于電阻值RL0
7.根據權利要求1至6的任意一項所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中， 所述無線電力傳輸系統(tǒng)還具備向所述送電共振器供電的送電器，使所述送電共振器與所述受電共振器之間的傳輸效率最大化的所述送電共振器的最佳輸入阻抗，和所述送電器的輸出阻抗相一致。
8.根據權利要求1至7的任意一項所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中， 所述無線電力傳輸系統(tǒng)還具備從所述受電共振器接受電力的受電器，使所述送電共振器與所述受電共振器之間的傳輸效率最大化的所述受電共振器的最佳輸出阻抗，和所述受電器的輸入阻抗相一致。
9.根據權利要求8所述的無線電力傳輸系統(tǒng)，其中， 所述受電器的輸出阻抗與負載阻抗相一致。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無線電力傳輸系統(tǒng)，經由共振頻率(f0)的共振磁場在尺寸不同的送電共振器(105)與受電共振器(107)之間進行非接觸的電力傳輸。至少在一部分當中，將構成送電電感器和受電電感器之中尺寸較小的電感器(Ls)的布線的頻率(f0)處的每單位長度的電阻值(Rs)設定得低于構成尺寸較大的電感器(LL)的布線的電阻值(RL)。
文檔編號H02J17/00GK102473512SQ20118000231
公開日2012年5月23日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權日2010年4月7日
發(fā)明者山本浩司, 菅野浩 申請人:松下電器產業(yè)株式會社