專利名稱：無線電力傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用諧振磁場耦合以無線方式傳輸電力的諧振磁場耦合型的非接觸電力技術(shù)。
背景技術(shù)：
專利文獻(xiàn)I公開了經(jīng)由兩個(gè)諧振器之間的空間傳輸能量的新型無線能量傳輸裝置。在該無線能量傳輸裝置中，通過在諧振器的周圍空間產(chǎn)生的諧振頻率的振動(dòng)能量的出現(xiàn)(evanescenttail)將兩個(gè)諧振器稱合，由此,利用無線(非接觸)傳輸振動(dòng)能量。另外，一直以來都存在著電磁感應(yīng)技術(shù)。在使用了這些電力傳輸技術(shù)的電子設(shè)備中，很多設(shè)備要求在接收恒定電壓的電力的輸入，并經(jīng)過某種電力轉(zhuǎn)換或分壓、能量傳輸?shù)鹊墓δ軌K之后，提供給設(shè)備的電壓為恒定電壓。例如，電視等的AV設(shè)備從提供大致恒定的電壓AC的電力的插座接收輸入，最終使消耗電力的設(shè)備內(nèi)的個(gè)別電路以保持恒定電壓的方式工作。在畫面的亮度變化的情況下也通過改變電流量來進(jìn)行應(yīng)對(duì)。后面將會(huì)將這種由電源接收恒定電壓的供電，并將恒定電壓的電力輸出到負(fù)載的工作方式稱為“恒壓工作”?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :美國專利申請公開第2008/0278264號(hào)說明書(圖12、圖14)
發(fā)明概要發(fā)明要解決的技術(shù)課題在專利文獻(xiàn)I記載的無線能量傳輸電路中，在從傳輸大電力時(shí)到傳輸小電力時(shí)為止進(jìn)行恒壓工作的情況下，很難維持高效率的傳輸特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述課題而實(shí)現(xiàn)的發(fā)明。第一個(gè)目的是提供一種能夠針對(duì)規(guī)定輸入電壓的電力輸入，進(jìn)行規(guī)定輸出電壓的電力輸出，并且，不僅在大電力傳輸時(shí)，且在小電力傳輸時(shí)也能夠維持高效率的無線電力傳輸裝置。解決技術(shù)課題的手段本發(fā)明的無線電力傳輸裝置具有一對(duì)天線以及控制部，上述一對(duì)天線能夠通過頻率fO的諧振磁場耦合以非接觸的方式傳輸電力，一個(gè)天線是串聯(lián)諧振電路，另一個(gè)天線是并聯(lián)諧振電路，上述控制部根據(jù)在上述一對(duì)天線之間傳輸?shù)碾娏Φ拇笮砜刂苽鬏旑l率，當(dāng)上述電力高于基準(zhǔn)值Pi時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為比上述頻率fO高的第一量級(jí)范圍內(nèi)的值；當(dāng)上述電力低于上述基準(zhǔn)值Pi時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為比上述第一量級(jí)范圍低的第二量級(jí)范圍內(nèi)的值。在某一實(shí)施方式中，當(dāng)上述電力從高于上述基準(zhǔn)值Pl的值變化成低于上述基準(zhǔn)值Pi的值時(shí)，或者當(dāng)上述電力從低于上述基準(zhǔn)值Pi的值變化成高于上述基準(zhǔn)值Pi的值時(shí)，上述控制部使上述傳輸頻率在上述第一量級(jí)范圍內(nèi)的值和上述第二量級(jí)范圍內(nèi)的值之I司跳變。在某一實(shí)施方式中，上述控制部在使上述傳輸頻率跳變時(shí)，使在上述一對(duì)天線之間進(jìn)行耦合的諧振磁場的模式在偶數(shù)模和奇數(shù)模之間切換。在某一實(shí)施方式中，當(dāng)上述傳輸電力在上述基準(zhǔn)值Pl和低于上述基準(zhǔn)值Pl的第二基準(zhǔn)值P2之間時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為低于上述頻率fO的頻率f2以下的值，當(dāng)上述傳輸電力低于上述第二基準(zhǔn)值P2時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為高于上述頻率f2的值。在某一實(shí)施方式中，上述第一量級(jí)范圍是從上述頻率fO到偶數(shù)模的諧振頻率fH 為止的范圍，上述第二量級(jí)范圍是從奇數(shù)模的諧振頻率fL到上述頻率fO為止的范圍。在某一實(shí)施方式中，當(dāng)上述傳輸電力與上述基準(zhǔn)值Pl相等時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為與上述頻率fO相等的值。在某一實(shí)施方式中，上述一對(duì)天線的諧振頻率分別與上述頻率fO相等。在某一實(shí)施方式中，上述一對(duì)天線的稱合系數(shù)k在電力傳輸中被維持為恒定。在某一實(shí)施方式中，上述基準(zhǔn)值Pl被設(shè)定為最大傳輸電力Pmax的60%以上且80%以下的范圍內(nèi)。在某一實(shí)施方式中，當(dāng)將上述傳輸頻率的最大值設(shè)為ftrmax，將偶數(shù)模的諧振頻率設(shè)為fH時(shí)，上述控制部在上述電力高于基準(zhǔn)值Pl的情況下，將上述傳輸頻率的最大值 ftrmax 設(shè)定為由公式 Rhigh= (ftrmax-fO) + (fH_f0) X 100 定義的 Rhigh 在 18%到56%的范圍內(nèi)。在某一實(shí)施方式中，當(dāng)將上述傳輸頻率的最小值設(shè)為ftrmin，將奇數(shù)模的諧振頻率設(shè)為fL時(shí)，上述控制部在上述電力低于基準(zhǔn)值Pl的情況下，將上述傳輸頻率的最小值ftrmin 設(shè)定為由公式 Rlow = (f0-ftrmin) + (f0-fL) X 100 定義的 Rlow 在 21 % 到 45%的范圍內(nèi)。在某一實(shí)施方式中，在上述一對(duì)天線中的受電側(cè)的天線的輸出端子與后級(jí)的負(fù)載連接的狀態(tài)下，向送電側(cè)的天線提供RF能量的振蕩器的輸出阻抗Zoc與送電天線的輸入阻抗Zin彼此相等。在某一實(shí)施方式中，在向上述一對(duì)天線中的送電側(cè)的天線提供RF能量的振蕩器的輸出端子與上述送電側(cè)的天線的輸入端子連接的狀態(tài)下，受電側(cè)的天線的輸出阻抗Zout與在后級(jí)被連接的負(fù)載的輸入阻抗彼此相等。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的無線電力傳輸裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)在利用諧振磁場耦合進(jìn)行天線之間的傳輸時(shí)，在例如較寬的傳輸電力范圍內(nèi)，針對(duì)規(guī)定輸入電壓的能量輸入，輸出規(guī)定輸出電壓的能量的電力傳輸裝置的高效率化。


圖IA表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置的基本構(gòu)成的一個(gè)例子。圖IB表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置的基本構(gòu)成的其他例子。圖IC表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置的基本構(gòu)成的其他例子。圖ID表不的是傳輸電力和傳輸頻率的關(guān)系的一個(gè)例子。圖IE表不的是傳輸電力和傳輸頻率的關(guān)系的其他例子。
圖2表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置的基本構(gòu)成。圖3表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置中的天線對(duì)的等效電路。圖4表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置中的天線對(duì)的等效電路。圖5表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置中的天線對(duì)的立體示意圖。圖6的圖形表不的是本發(fā)明的實(shí)施例中的無線傳輸部的傳輸效率的傳輸電力依賴性。
圖7的圖形表示的是本發(fā)明的實(shí)施例中的頻率的傳輸電力依賴性。圖8的圖形表示的是本發(fā)明的實(shí)施例中的頻率的傳輸電力依賴性。圖9的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的無線傳輸部的傳輸效率的傳輸電力依賴性。圖10的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的峰值頻率的傳輸電力依賴性。圖11的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的無線傳輸部的傳輸效率的傳輸電力依賴性。圖12的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的峰值頻率的傳輸電力依賴性。圖13的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的無線傳輸部的傳輸效率的傳輸電力依賴性。圖14的圖形表示的本發(fā)明的比較例中的峰值頻率的傳輸電力依賴性。圖15的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的峰值頻率的傳輸電力依賴性。圖16的圖形表示的是本發(fā)明的比較例中的峰值頻率的傳輸電力依賴性。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的無線電力傳輸裝置的優(yōu)選實(shí)施方式如圖IA舉例所示，具有能夠通過頻率fO的諧振磁場耦合以非接觸的方式傳輸電力的一對(duì)天線107和109，以及根據(jù)在該一對(duì)天線107和109之間傳輸?shù)碾娏Φ拇笮】刂苽鬏旑l率的控制部(頻率控制部)100。該一對(duì)天線中的一個(gè)是串聯(lián)諧振電路，另一個(gè)是并聯(lián)諧振電路。當(dāng)在天線107和109之間傳輸?shù)碾娏Ω哂诨鶞?zhǔn)值Pl時(shí)，控制部100將傳輸頻率設(shè)定為比頻率fO高的第一量級(jí)范圍內(nèi)的值，當(dāng)電力低于基準(zhǔn)值Pl時(shí)，控制部100將傳輸頻率設(shè)定為低于第一電量級(jí)范圍的第二量級(jí)范圍內(nèi)的值。該基準(zhǔn)值Pl是設(shè)定為低于最大傳輸電力Pmax的值，優(yōu)選能夠設(shè)定在最大傳輸電力Pmax的60%以上80%以下的范圍內(nèi)。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過利用諧振磁場I禹合的無線電力傳輸裝置執(zhí)行恒壓工作時(shí)，如后面要提到的那樣，當(dāng)比最大傳輸電力Pmax充分低時(shí)，通過切換收發(fā)天線之間的諧振磁場的耦合模式，能夠維持較高的傳輸效率。本發(fā)明就是基于該發(fā)現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)的。通過根據(jù)比基準(zhǔn)值Pl高或低來改變傳輸頻率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)耦合模式的切換。圖IA的無線電力傳輸裝置具有振蕩頻率fO的振蕩器103。如圖2中其他的實(shí)施方式所示，可以將頻率轉(zhuǎn)換電路161與受電天線的后級(jí)連接。振蕩器103接收從圖中沒有顯示的電源提供的直流或交流的能量(電力)，將所提供的能量頻率轉(zhuǎn)換(DC/RF轉(zhuǎn)換或者AC/RF轉(zhuǎn)換)成頻率ftr的RF能量。在本說明書中，將該頻率ftr稱為傳輸頻率。從振蕩器103輸出的RF能量被輸入到與振蕩器103連接的送電天線107。送電天線107和受電天線109是以各自的諧振頻率fT和fR成為不對(duì)應(yīng)的方式事先設(shè)計(jì)的諧振器對(duì)。送電天線107和受電天線109是經(jīng)由在彼此的諧振器在周圍空間形成的諧振磁場而磁性耦合的。作為其結(jié)果，通過諧振磁場耦合，受電天線109能夠高效率地接收由送電天線107送出的RF能量的至少一部分?？刂撇?00生成用于控制振蕩器103的振蕩頻率的信號(hào)(例如頻率可變的脈沖列)，并向振蕩器103輸入。在本發(fā)明的某一實(shí)施方式中，如圖IB所不,受電天線109的輸出與負(fù)載111連接。根據(jù)該負(fù)載111的狀況(例如所消耗的電力)，應(yīng)該從送電天線107向受電天線109傳輸?shù)碾娏Φ拇笮∧軌蜃兓?。在圖IB的例子中，表示負(fù)載111所需要的傳輸電力的大小的信息或信號(hào)從負(fù)載111提供給控制部100。與此相應(yīng)地，控制部100能夠增減振蕩器103的振蕩頻率。其結(jié)果是，傳輸電力的頻率得到控制。另外，在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，如圖IC所示，振蕩器103與發(fā)電部102連接，頻率控制部100能夠根據(jù)發(fā)電部102的狀況改變振蕩器103的振蕩頻率。發(fā)電部102包括例如太陽能電池等的發(fā)電元件。由發(fā)電部102提供給振蕩器103的電力能夠根據(jù)發(fā)電部102 的狀況變化。例如，根據(jù)太陽能電池所接收到的太陽光的量產(chǎn)生的電力能夠變化。因此，應(yīng)該從送電天線107向受電天線109傳輸?shù)碾娏Φ拇笮∫材軌蜃兓?。在圖IC的例子中，表示由發(fā)電部102發(fā)電的電力、即傳輸電力的大小的信息或信號(hào)被從發(fā)電部102提供給控制部100。與此相應(yīng)地，控制部100能夠增減振蕩器103的振蕩頻率。其結(jié)果是，傳輸電力的頻率得到控制。傳輸電力的大小和傳輸頻率的關(guān)系事先根據(jù)實(shí)驗(yàn)等決定，可以被記錄在設(shè)置在無線電力傳輸裝置或負(fù)載中的存儲(chǔ)器中。另外，傳輸電力的大小與傳輸頻率的關(guān)系也可以在實(shí)際的電力傳輸中基于傳輸效率來決定。圖ID的圖形表示的是傳輸電力的大小和傳輸電力的頻率的關(guān)系的一個(gè)例子。如圖所示，第一量級(jí)范圍高于上述頻率fO。在該例子中，第一量級(jí)范圍是從頻率fO到偶數(shù)模諧振頻率fH的范圍，第二量級(jí)范圍是從奇數(shù)模諧振頻率fL到頻率fO的范圍。關(guān)于奇數(shù)模以及偶數(shù)模的諧振頻率fH和fL，后面將進(jìn)行說明。當(dāng)傳輸電力從高于基準(zhǔn)值Pl的值變化成低于上述基準(zhǔn)值Pl的值時(shí)，或者，當(dāng)上述電力從低于上述基準(zhǔn)值Pl的值變化成高于上述基準(zhǔn)值Pi的值時(shí)，控制部100使傳輸頻率在第一量級(jí)范圍內(nèi)的值和上述第二量級(jí)范圍內(nèi)的值之間跳變。當(dāng)控制部100使傳輸頻率跳變時(shí)，其在偶數(shù)模和奇數(shù)模之間切換在一對(duì)天線之間耦合的諧振磁場的模式。另外，在某一優(yōu)選的實(shí)施方式中，當(dāng)傳輸電力等于基準(zhǔn)值Pi時(shí)，傳輸頻率能夠被設(shè)定為與頻率fO相等的值。傳輸電力的大小與傳輸頻率的關(guān)系不局限于圖ID的例子。圖IE顯示了更復(fù)雜的關(guān)系的一個(gè)例子。根據(jù)該例子，當(dāng)傳輸電力在基準(zhǔn)值Pl和低于基準(zhǔn)值Pl的第二基準(zhǔn)值P2之間時(shí)，控制部100將傳輸頻率設(shè)定為低于頻率fO的頻率f2以下的值。并且，當(dāng)傳輸電力低于第二基準(zhǔn)值P2時(shí)，控制部100將傳輸頻率設(shè)定為比頻率f2高的值。當(dāng)傳輸電力充分低時(shí)，例如，當(dāng)在最大的傳輸電力Pmax的10%以下時(shí)，傳輸頻率優(yōu)選被設(shè)定為與頻率fO大致相等。傳輸電力的大小與傳輸頻率的關(guān)系以及基準(zhǔn)值Pl和P2等的值是通過決定以被提供的傳輸電力的大小為基礎(chǔ)對(duì)傳輸效率進(jìn)行最優(yōu)化的傳輸頻率而獲得的。關(guān)于傳輸電力的大小與傳輸頻率的關(guān)系的具體例子后面將進(jìn)行詳細(xì)說明。另外，一對(duì)天線的耦合系數(shù)k優(yōu)選在電力傳輸中維持為恒定。圖2所示的頻率轉(zhuǎn)換電路161接收由受電天線109提供的RF能量(電力)，在負(fù)載或系統(tǒng)等送出電力的最終極的功能塊中將電力轉(zhuǎn)換成所需的頻率。因此，轉(zhuǎn)換后的電力的頻率既可以是DC也可以是AC或者也可以是其他的頻率。受電天線109與送電天線107不接觸，與送電天線107相隔例如數(shù) 毫米 數(shù)十厘米左右。頻率fO被設(shè)定為例如50Hz 300GHz、優(yōu)選 20kHz IOGHz、更優(yōu)選 20kHz 20MHz、還更優(yōu)選 20kHz IMHz。本發(fā)明的無線電力傳輸裝置中的“天線”不是用于進(jìn)行輻射電磁場的收發(fā)的通常的天線，而是利用諧振器的電磁場附近成分(evanescent tail)的稱合在兩個(gè)物體之間進(jìn)行能量傳輸?shù)囊亍８鶕?jù)利用諧振磁場的無線電力傳輸，在將電磁波向遠(yuǎn)方傳遞時(shí)不會(huì)產(chǎn)生能量損耗(輻射損耗)，因此，能夠以極高的效率傳輸電力。這種利用諧振電磁場(近場)的耦合的能量傳輸與利用法拉第電磁感應(yīng)法則的公知的無線電力傳輸相比，不僅損耗少，而且能夠在相隔例如數(shù)米遠(yuǎn)的兩個(gè)諧振器(天線)之間高效率地傳輸能量。為了進(jìn)行基于這種原理的無線電力傳輸，需要在兩個(gè)諧振天線之間產(chǎn)生耦合。fT以及/或者fR不需要與頻率fO完全一致。為了基于諧振器之間的耦合實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸，fT = fR是最理想的，但也可以是fT和fR的差異充分地小。在本說明書中，“頻率fT與頻率fR相等”被定義為滿足以下的公式I的情況。(公式I) I fT-fR 彡 fT/QT+fR/QR在此，QT是作為送電天線的諧振器的Q值，QR是作為受電天線的諧振器的Q值。一般來講，在將諧振頻率作為X，將諧振器的Q值作為Qx的情況下，該諧振器的諧振所產(chǎn)生的頻帶相當(dāng)于X/Qx。如果設(shè)立了 |fT-fR| < fT/QT+fR/QR的關(guān)系，則在兩個(gè)諧振器之間通過諧振磁場耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸。(關(guān)于等效電路，一非對(duì)稱諧振對(duì)串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的組合)接下來參照圖3。圖3表示的是本發(fā)明的無線電力傳輸裝置中的天線對(duì)的等效電路。如圖3所示，本發(fā)明中的送電天線107是第一電感器107a以及第一電容元件107b串聯(lián)連接的串聯(lián)諧振電路，受電天線109是第二電感器109a以及第二電容元件109b并聯(lián)連接的并聯(lián)諧振電路。另外，送電天線107的串聯(lián)諧振電路具有寄生電阻成分R1，受電天線109的并聯(lián)諧振電路具有寄生電阻成分R2。本發(fā)明的無線傳輸部是送電天線和受電天線以串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路這一非對(duì)稱的組合而構(gòu)成的。即，如圖4所示，即使送電天線107是并聯(lián)諧振電路，受電天線109是串聯(lián)諧振電路，也顯現(xiàn)出同樣的效果。一般可知，在具有固有的諧振頻率的兩個(gè)諧振器電耦合的情況下，諧振頻率變化。即使兩個(gè)諧振器的諧振頻率相同(頻率f0)，由于上述耦合的緣故，作為諧振器對(duì)的諧振頻率也分離成兩個(gè)頻率。在耦合諧振器對(duì)所示的兩個(gè)諧振頻率內(nèi)，將頻率高的稱為偶數(shù)模的諧振頻率(fH)，將頻率低的稱為奇數(shù)模的諧振頻率(fL)。另外，用公式(式2)k =(fH~2-fL~2) + (fH~2+fL~2)表示的k相當(dāng)于諧振器之間的耦合系數(shù)。耦合越強(qiáng)k越成為大的值，兩個(gè)諧振頻率的分離量增大。在無線電力傳輸裝置中，在傳輸電力P成為最大(Pmax)的工作條件中，應(yīng)該維持高的傳輸效率，這是毋庸置疑的，但是，在降低傳輸電力的傳輸條件下也還是應(yīng)該維持高效率。而且，無論在傳輸電力是P = Pmax的情況下還是在P ^ Pmax的情況下，都優(yōu)選進(jìn)行恒壓工作。因此，在P = Pmax的條件下的輸入輸出阻抗Zin (P = Pmax)、Zout = (P = Pmax)和任意的傳輸電力P傳輸時(shí)的輸入輸出阻抗Zin和Zout之間，以下的關(guān)系成立。(公式 3) Zin = Zin (P = Pmax) X (Pmax + P)(公式 4) Zout = Zout (P = Pmax) X (Pmax + P)即，在恒壓工作中，輸入輸出阻抗與傳輸電力成反比例地變化。在該條件下，在較寬的傳輸電力范圍內(nèi)將傳輸效率維持得較高是本申請發(fā)明的目的。為了達(dá)到該目的，本發(fā)明的無線電力傳輸裝置中的傳輸頻率ftr根據(jù)電力的傳輸量在大于頻率fL小于fH的范圍內(nèi)被可變地控制。具體而言，在由規(guī)定電力(Pl)到Pmax的電力傳輸范圍中，以來自偶數(shù)模諧振的貢獻(xiàn)大的頻帶傳輸電力，由此，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率傳輸。另一方面，在傳輸電力設(shè)定地低于規(guī)定電力(PD的傳輸電力范圍中，通過以來自奇數(shù)模諧振的貢獻(xiàn)大的頻帶傳輸電力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率傳輸。即，如果將傳輸電力設(shè)為P，則在Pl < P < Pmax的范圍中，fO < ftr< fH，如果P < Pl，則fL < ftr < fO。如果更詳細(xì)的講，在Pl彡P(guān)彡P(guān)max的范圍中，Pl附近的傳輸電力條件下的最合適的ftr (P — Pl)被設(shè)定為比Pmax附近的傳輸電力條件下 的最合適的ftr (P — Pmax)高的值。另外，在P < Pl的范圍中，Pl附近的傳輸電力條件下的最合適的ftr (P — Pl)被設(shè)定為比極小的電力傳輸條件下的最合適的ftr (P — O)低的值。即，在本申請發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，在P > Pl和？ < Pl的范圍設(shè)定的ftr的值產(chǎn)生不連續(xù)性。在本申請發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，在低阻抗傳輸條件下，利用偶數(shù)模諧振，在高阻抗傳輸條件下，利用奇數(shù)模諧振。通過根據(jù)傳輸電力條件切換天線對(duì)的諧振模式，針對(duì)寬范圍的輸入輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)高效率傳輸?shù)木S持。另外，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，Pl < P < Pmax的范圍中的ftr的最大值ftrmax的值被設(shè)定為用以下的公式(5)定義的Rhigh表示18%到56%的范圍內(nèi)的值。(公式 5) Rhigh = (ftrmax-fO) + (fH-fO) X 100這樣一來，能夠針對(duì)較寬的電力范圍實(shí)現(xiàn)高效率的恒壓工作。另外，由于相同的理由,P < Pl中的ftr的最小值ftrmin的值優(yōu)選設(shè)定為用以下的公式(6)定義的Rlow表示21%到45%的范圍內(nèi)的值。(公式 6) Rlow = (fO-ftrmin) + (fO-fL) X 100另外，該現(xiàn)象被限于以串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路這一非對(duì)稱的諧振電路結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)成收發(fā)天線的情況。即，在收發(fā)天線由串聯(lián)諧振電路對(duì)或并聯(lián)諧振電路對(duì)共同構(gòu)成的情況下，不能顯現(xiàn)本申請發(fā)明的效果。另外，在收發(fā)天線共同由外部電路利用電磁感應(yīng)原理接收能量供電的電路構(gòu)成(以下表述為電磁感應(yīng)供電型)的情況下也不顯現(xiàn)本申請發(fā)明的效果。而且，在串聯(lián)諧振電路和電磁感應(yīng)供電型、并聯(lián)諧振電路和電磁感應(yīng)供電型的混合型組合的諧振器對(duì)中也不顯現(xiàn)本申請發(fā)明的效果。Pl的值能夠設(shè)定為例如Pmax的60%到80%左右的電力值。不過，Pl的值不局限于該范圍內(nèi)，根據(jù)情況，也可以不在上述范圍內(nèi)。傳輸頻率的可變控制能夠通過控制振蕩器103的振蕩頻率而容易地實(shí)現(xiàn)。在電力傳輸中，送電天線和受電天線之間的耦合系數(shù)k優(yōu)選維持為大致恒定。這是因?yàn)?，如果在電力傳輸中耦合系?shù)k有較大的變動(dòng)，則很難以高效率實(shí)現(xiàn)恒壓工作。在振蕩器103中，能夠使用D級(jí)、E級(jí)和F級(jí)等的高效率并且能夠?qū)崿F(xiàn)低失真特性的放大器，也可以使用多爾蒂放大器?？梢酝ㄟ^在產(chǎn)生包括失真成分的輸出信號(hào)的開關(guān)元件的后級(jí)配置低通濾波器或帶通濾波器而高效率地生成正弦波。也可以是從AC輸入進(jìn)行高頻輸出的頻率轉(zhuǎn)換電路。無論如何，輸入到振蕩器的電力被轉(zhuǎn)換成RF能量。該RF能量通過無線傳輸部經(jīng)由空間非接觸地傳輸，并被從輸出端子輸出。為了抑制電路塊之間的RF能量的多重反射，改善綜合傳輸效率，優(yōu)選在受電天線109的輸出端子與負(fù)載連接的狀態(tài)下，使由振蕩器103輸出的RF能量的輸出阻抗Zoc和送電天線107的輸入阻抗Zin相等。另外，同樣優(yōu)選在振蕩器103與送電天線107連接的狀態(tài)下，受電天線的輸出阻抗Zout與被連接的負(fù)載的電阻值R相等。另外，在本說明書中，兩個(gè)阻抗“相等”不局限于阻抗嚴(yán)格一致的情況，也包括兩個(gè)阻抗之差為較大一方的阻抗 的25%以下的情況。本實(shí)施方式中的無線電力傳輸?shù)男嗜Q于送電天線107與受電天線109的間隔(天線間隔)或構(gòu)成送電天線107和受電天線109的電路元件的損耗的大小。另外，“天線間隔”是指實(shí)質(zhì)上兩個(gè)電感器107a和109a的間隔。天線間隔能夠以天線的配置區(qū)域的大小為基準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一電感器107a以及第二電感器109a如圖5的立體示意圖所示，都是以擴(kuò)展成平面狀的方式形成的。電感器的外形形狀能夠任意選擇。即，不僅能夠選擇正方形、圓形，還能選擇長方形、橢圓形等。在此，天線的配置區(qū)域的大小是指尺寸相對(duì)小的天線的配置區(qū)域的大小，在構(gòu)成天線的電感器的外形是圓形的情況下是電感器的直徑，在正方形的情況下是電感器的一個(gè)邊長，在長方形的情況下是電感器的短邊的長度。本實(shí)施方式中的第一電感器107a以及第二電感器109a分別具有匝數(shù)NI和N2的螺旋形結(jié)構(gòu)(NI > 1，N2 > I)，也可以具有匝數(shù)為I的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這些電感器107a和109a無需由一層的導(dǎo)線分布圖構(gòu)成，而可以具有將層疊的多個(gè)導(dǎo)電體圖案串聯(lián)連接的構(gòu)成。第一電感器107a和第二電感器109a能夠由具有良好的導(dǎo)電率的銅或銀等導(dǎo)電體適當(dāng)?shù)匦纬?。RF能量的高頻電流集中在導(dǎo)電體表面流動(dòng)，這提高了發(fā)電效率，因此，可以用高導(dǎo)電率材料覆蓋導(dǎo)電體表面。如果在導(dǎo)電體的截面中央形成具有空洞結(jié)構(gòu)的電感器107a和109a，則能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化。而且，如果采用絞合線等的并聯(lián)布線結(jié)構(gòu)形成電感器107a和109a，則能夠降低大約單位長度的導(dǎo)電體損耗，因此，能夠提高串聯(lián)諧振電路以及并聯(lián)諧振電路的Q值，能夠以更高的效率進(jìn)行電力傳輸。為了抑制制造成本，能夠使用墨水印刷技術(shù)將布線一并形成?？梢栽诘谝浑姼衅?07a以及/或者第二電感器109a的周邊配置磁性體。優(yōu)選使用能夠?qū)㈦姼衅?07a和109a之間的耦合系數(shù)設(shè)定為適當(dāng)值的具有空心螺旋結(jié)構(gòu)的電感器。在第一和第二電容元件107b和109b中能夠利用例如芯片狀和引腳狀的所有類型的電容器。隔著空氣的兩布線之間的電容能夠作為第一和第二電容元件107b、109b發(fā)揮功能。在由MIM電容器構(gòu)成第一和第二電容元件107b、109b的情況下，能夠利用公知的半導(dǎo)體工藝或多層基板工藝形成低損耗的電容電路。分別構(gòu)成送電天線107以及受電天線109的諧振器的Q值要取決于系統(tǒng)所要求的天線之間的電力傳輸?shù)膫鬏斝室约榜詈舷禂?shù)k的值，但優(yōu)選設(shè)定為100以上，更優(yōu)選為200以上，更優(yōu)選為500以上，更優(yōu)選為1000以上。為了實(shí)現(xiàn)高的Q值，如上所述，有效的方法是采用絞合線。實(shí)施例(實(shí)施例I)
以下，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例I進(jìn)行說明。送電天線以及受電天線是以它們的諧振頻率都成為O. 55MHz的方式設(shè)計(jì)的。送電天線是通過將電感為3. 67 μ H的第一電感器和電容為4100pF的第一電容元件串聯(lián)連接制成的。受電天線是通過將電感為3. 67 μ H的第二電感器和電容為4100pF的第二電容元件并聯(lián)連接而制成的。第一以及第二電感器是由將每120根直徑75 μ m的銅布線彼此絕緣地并聯(lián)配置而構(gòu)成的絞合線實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)電感器的外形都是直徑20cm的圓形，匝數(shù)設(shè)定為8。送電天線(諧振器)的無負(fù)載Q值為450。送電天線和受電天線是以彼此的形成面呈平行對(duì)置的方式配置的，電阻面之間的間隔g設(shè)為10cm。所制造的諧振器的諧振頻率為544. 6kHz,收發(fā)天線之間的耦合系數(shù)k為O. 263，奇數(shù)模諧振頻率為481. 7kHz，偶數(shù)模諧振頻率為632kHz。
將送電天線的RF輸入端子和受電天線的RF輸出端子與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，測定了兩個(gè)端子之間的高頻傳輸特性。導(dǎo)出諧振器之間的無線傳輸效率最大的最合適的輸入輸出阻抗Zin和Zout。導(dǎo)出按照以下兩個(gè)階段進(jìn)行。首先，用50Ω的端子阻抗的網(wǎng)絡(luò)分析儀測定兩個(gè)天線(諧振器)的輸入輸出端子之間的高頻特性，獲得了以50 Ω作為基準(zhǔn)阻抗的測定數(shù)據(jù)。接下來，基于上述測定數(shù)據(jù)，在電路模擬器上導(dǎo)出將在端子的信號(hào)反射最小化、傳輸電力最大化的輸入輸出端子的阻抗條件ZiruZout和傳輸頻率ftr。將導(dǎo)出的ZiruZout和ftr作為最大電力Pmax傳輸時(shí)的傳輸條件Zin (P = Pmax)、Zout (P = Pmax)和ftr (P =Pmax)來使用。接下來，在增減傳輸電力的條件下，在電路模擬器上導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)最大傳輸效率η (P)的峰值頻率。如果增減傳輸電力，則要維持恒壓工作條件，因此，Zin和Zout與增減的傳輸電力成反比。這樣一來，能夠根據(jù)傳輸電力獲得最優(yōu)化的峰值頻率。通過使傳輸頻率ftr (P)與該峰值頻率一致，即使增減傳輸電力，也能夠維持高的傳輸效率。圖6的圖形表示的是所導(dǎo)出的η (P)對(duì)傳輸電力的依賴性。圖形的縱軸為最大傳輸效率H，橫軸為傳輸電力。圖形橫軸的100%的條件相當(dāng)于P = Pmax。為了進(jìn)行比較，在圖中也用虛線追加了將傳輸頻率ftr固定為ftr (P = Pmax)時(shí)的η (P)的情況。在實(shí)施例I中，Pl對(duì)于Pmax相當(dāng)于74. 5%。通過對(duì)圖6的實(shí)線的彎曲和虛線的彎曲進(jìn)行比較可知，本實(shí)施例的效果在P < Pmax X 60%的區(qū)域表現(xiàn)得特別顯著。圖7的圖形表示的是所導(dǎo)出的峰值頻率(相當(dāng)于ftr(P))對(duì)傳輸電力的依賴性。ftr (P)，當(dāng) P < Pl 時(shí)為 fL( = 481. 7kHz) < ftr (P) < fO ( = 544. 6kHz)。另夕卜，當(dāng) P 彡 Pl時(shí)，為 fO < ftr (P) < fH( = 632kHz)。在整個(gè)范圍中，526. IkHz ( ftr (P) ( 578.3kHz。另外，從相對(duì)于來自奇數(shù)模諧振頻率的固有頻率的變動(dòng)量的固有頻率到ftr (P)最小值的變動(dòng)量(Rlow = (fO-ftrmin) + (fO-fL) X 100)為29. 4%0另外，從相對(duì)于來自偶數(shù)模諧振頻率的固有頻率的變動(dòng)量的ftr(P)的最大值到固有頻率的變動(dòng)量(Rhigh =(ftrmax-fO) + (fH-fO) X 100)為 38. 6%。接下來，如表I所示，對(duì)使收發(fā)天線之間的距離變動(dòng)的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)(實(shí)施例2到6)。實(shí)施例2到6，雖然與實(shí)施方式I的基本構(gòu)成共通，但耦合系數(shù)k不同。這是因?yàn)轳詈舷禂?shù)k取決于收發(fā)天線之間的距離。圖8是針對(duì)實(shí)施例5表示無線部最大傳輸效率對(duì)傳輸電力的依賴性的圖形。由圖8可知，即使在實(shí)施例5的情況下,也能夠在傳輸電力低的區(qū)域維持高的傳輸效率。
(表 I)
權(quán)利要求
1.一種無線電力傳輸裝置，具有一對(duì)天線以及控制部， 上述一對(duì)天線能夠通過頻率fO的諧振磁場耦合以非接觸的方式傳輸電力，一個(gè)天線為串聯(lián)諧振電路，另一個(gè)天線為并聯(lián)諧振電路， 上述控制部根據(jù)在上述一對(duì)天線之間傳輸?shù)碾娏Φ拇笮砜刂苽鬏旑l率， 當(dāng)上述電力高于基準(zhǔn)值Pl時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為比上述頻率fO高的第一量級(jí)范圍內(nèi)的值； 當(dāng)上述電力低于上述基準(zhǔn)值Pi時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為比上述第一量級(jí)范圍低的第二量級(jí)范圍內(nèi)的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線電力傳輸裝置，其中， 當(dāng)上述電力從高于上述基準(zhǔn)值Pi的值變化成低于上述基準(zhǔn)值Pi的值時(shí)，或者當(dāng)上述電力從低于上述基準(zhǔn)值Pl的值變化成高于上述基準(zhǔn)值Pi的值時(shí)，上述控制部使上述傳輸頻率在上述第一量級(jí)范圍內(nèi)的值和上述第二量級(jí)范圍內(nèi)的值之間跳變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線電力傳輸裝置，其中， 上述控制部在使上述傳輸頻率跳變時(shí)，使在上述一對(duì)天線之間進(jìn)行耦合的諧振磁場的模式在偶數(shù)模和奇數(shù)模之間切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 當(dāng)上述傳輸電力在上述基準(zhǔn)值Pl和低于上述基準(zhǔn)值Pl的第二基準(zhǔn)值P2之間時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為低于上述頻率fO的頻率f2以下的值，當(dāng)上述傳輸電力低于上述第二基準(zhǔn)值P2時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為比上述頻率f2高的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 上述第一量級(jí)范圍是從上述頻率fO到偶數(shù)模的諧振頻率fH為止的范圍，上述第二量級(jí)范圍是從奇數(shù)模的諧振頻率fL到上述頻率fO為止的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 當(dāng)上述傳輸電力與上述基準(zhǔn)值Pl相等時(shí)，上述控制部將上述傳輸頻率設(shè)定為與上述頻率fO相等的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6的任意一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 上述一對(duì)天線的諧振頻率分別與上述頻率fO相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 上述一對(duì)天線的耦合系數(shù)k在電力傳輸中被維持為恒定。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 上述基準(zhǔn)值Pl被設(shè)定為最大傳輸電力Prnax的60%以上且80%以下的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 當(dāng)將上述傳輸頻率的最大值設(shè)為ftrmax，將偶數(shù)模的諧振頻率設(shè)為fH時(shí)，上述控制部在上述電力高于基準(zhǔn)值Pl的情況下，將上述傳輸頻率的最大值ftrmax設(shè)定為由公式Rhigh = (ftrmax-fO) + (fH-fO) X 100 定義的 Rhigh 在 18%到 56% 的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 當(dāng)將上述傳輸頻率的最小值設(shè)為ftrmin，將奇數(shù)模的諧振頻率設(shè)為fL時(shí)，上述控制部在上述電力低于基準(zhǔn)值Pl的情況下，將上述傳輸頻率的最小值ftrmin設(shè)定為由公式Rlow = (f0-ftrmin) + (f0-fL) X 100 定義的 Rlow 在 21 %至Ij 45% 的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至11的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 在上述一對(duì)天線中的受電側(cè)的天線的輸出端子與后級(jí)的負(fù)載連接的狀態(tài)下，向送電側(cè)的天線提供RF能量的振蕩器的輸出阻抗Zoc與送電天線的輸入阻抗Zin彼此相等。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12的任一項(xiàng)所述的無線電力傳輸裝置，其中， 在向上述一對(duì)天線中的送電側(cè)的天線提供RF能量的振蕩器的輸出端子與上述送電側(cè)的天線的輸入端子連接的狀態(tài)下，受電側(cè)的天線的輸出阻抗Zout與在后級(jí)被連接的負(fù)載的輸入阻抗彼此相等。
全文摘要
本發(fā)明的無線電力傳輸裝置具有一對(duì)天線(107)和(109)以及控制部(100)，一對(duì)天線(107)和(109)能夠通過頻率f0的諧振磁場耦合以非接觸的方式傳輸電力，一個(gè)天線是串聯(lián)諧振電路，另一個(gè)天線是并聯(lián)諧振電路，控制部(100)根據(jù)在上述一對(duì)天線(107)和(109)之間傳輸?shù)碾娏Φ拇笮砜刂苽鬏旑l率。當(dāng)在天線之間傳輸?shù)碾娏Ω哂诨鶞?zhǔn)值P1時(shí)，控制部(100)將傳輸頻率設(shè)定為比頻率f0高的第一量級(jí)范圍內(nèi)的值；當(dāng)電力低于上述基準(zhǔn)值P1時(shí)，控制部(100)將傳輸頻率設(shè)定為低于第一量級(jí)范圍的第二量級(jí)范圍內(nèi)的值。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102918748SQ20128000121
公開日2013年2月6日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者菅野浩, 山本浩司 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社