本發(fā)明涉及利用諧振型收發(fā)天線的諧振特性來進(jìn)行電力傳輸?shù)闹C振耦合型電力傳輸系統(tǒng)、諧振型電力發(fā)送裝置及諧振型電力接收裝置。

背景技術(shù)：

以往以來，已知有通過無線方式來傳輸能量的裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1-3)。該裝置由第一諧振器構(gòu)造(諧振型發(fā)送天線)、以及位于距離該第一諧振器構(gòu)造較遠(yuǎn)的位置的第二諧振器構(gòu)造(諧振型接收天線)構(gòu)成。第一諧振器構(gòu)造從電力提供源(交流輸出型電源)獲取能量，利用電磁共鳴(磁場諧振耦合)通過非輻射方式向第二諧振器構(gòu)造進(jìn)行輸送。另外，第二諧振器構(gòu)造接收來自第一諧振器構(gòu)造的能量并向外部負(fù)載(接收電路)進(jìn)行提供。另外，第一諧振器構(gòu)造的諧振特性值Q1及第二諧振器構(gòu)造的諧振特性值Q2設(shè)定為滿足下式(1)。

由此，能將第一、二諧振器構(gòu)造間的距離設(shè)得比其特征性尺寸(以往的電磁感應(yīng)的距離)要大，而不會減低能量的輸送效率。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1

日本專利特開2011-177018號公報

專利文獻(xiàn)2

日本專利特表2012-502602號公報

專利文獻(xiàn)3

日本專利特表2009-501510號公報

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

然而，在專利文獻(xiàn)1-3所公開的現(xiàn)有裝置中，存在以下問題：僅考慮了第一、二諧振器構(gòu)造的諧振特性值Q1、Q2，而未考慮由與第一諧振器構(gòu)造相連接的電力提供源所引起的諧振特性值的變動、以及由與第二諧振器構(gòu)造相連接的外部負(fù)載所引起的諧振特性值的變動。

即，在高頻電路中，需要對每個電路模塊進(jìn)行阻抗匹配的接口。另一方面，在現(xiàn)有裝置中，由于僅考慮了第一、二諧振器構(gòu)造的諧振特性值Q1、Q2，因此，在第一諧振器構(gòu)造與電力提供源之間、以及第二諧振器構(gòu)造與外部負(fù)載之間，設(shè)置上述接口。在該結(jié)構(gòu)的情況下，在第一、二諧振器構(gòu)造間能高效地進(jìn)行電力傳輸。然而，在作為包含電力提供源及外部負(fù)載的系統(tǒng)整體來看的情況下，存在如上所述的接口，從而電力損耗變得非常大。

另外，在式(1)的條件下，在第一、二諧振器構(gòu)造間的耦合度不恰當(dāng)?shù)那闆r下，即，第一、二諧振器構(gòu)造間的距離會導(dǎo)致能量損耗變大，存在無法有效地進(jìn)行電力傳輸?shù)膯栴}。另外，在上述條件下，存在以下問題：第一、二諧振器構(gòu)造的天線結(jié)構(gòu)受到限制而沒有自由度，從而小型化、輕量化、低成本化存在困難。另外，在上述條件下，存在以下問題：由于對作為第一、二諧振器構(gòu)造的一部分來使用的電容器施加高電壓，因此，需要高耐壓的電容器等特殊元器件，從而小型化、輕量化、低成本化存在困難。

本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于，提供一種能進(jìn)行考慮了由諧振型電源及接收電路的影響所造成的諧振特性值的變動的設(shè)定、并能對現(xiàn)有裝置力圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的電力傳輸?shù)母咝Щ闹C振耦合型電力傳輸系統(tǒng)、諧振型電力發(fā)送裝置及諧振型電力接收裝置。

用于解決技術(shù)問題的技術(shù)手段

本發(fā)明所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)包括：諧振型電力發(fā)送裝置，該諧振型電力發(fā)送裝置具有提供電力的諧振型電源、及對由諧振型電源所提供的電力進(jìn)行傳輸?shù)闹C振型發(fā)送天線；以及諧振型電力接收裝置，該諧振型電力接收裝置具有接收由諧振型發(fā)送天線所傳輸?shù)碾娏Φ闹C振型接收天線、及將由諧振型接收天線所接收到的電力提供給負(fù)載的接收電路，對各功能部的特性阻抗進(jìn)行設(shè)定，使得諧振型電源的諧振特性值、諧振型發(fā)送天線的諧振特性值及諧振型電力接收裝置的諧振特性值具有相關(guān)關(guān)系。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，由于具有如上所述的結(jié)構(gòu)，因此，能進(jìn)行考慮了由諧振型電源及接收電路的影響所造成的諧振特性值的變動的設(shè)定，并能對現(xiàn)有裝置力圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的電力傳輸?shù)母咝Щ?/p>

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。

圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的電路圖。

圖3是表示本發(fā)明實(shí)施方式1中的諧振型收發(fā)天線間的距離與耦合系數(shù)之間的關(guān)系的圖。

圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式1所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)的電力傳輸效率的圖，(a)是表示k·Qr＞1的情況的圖，(b)是表示k·Qr≒1的情況的圖，(c)是表示k·Qr＜1的情況的圖。

圖5是對本發(fā)明實(shí)施方式1中的諧振型收發(fā)天線的諧振頻率的設(shè)定進(jìn)行說明的圖，(a)是表示諧振型收發(fā)天線的諧振頻率的圖，(b)是表示諧振型收發(fā)天線的諧振頻率的設(shè)定的電力傳輸效率的圖。

圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式1中的諧振型電源電路的其它結(jié)構(gòu)的電路圖，(a)是表示橋式整流器的圖，(b)是表示D級整流器的圖，(c)是表示DE級整流器的圖。

圖7是表示本發(fā)明實(shí)施方式1中的整流電路的其它結(jié)構(gòu)的電路圖，(a)是表示E級整流電路的圖，(b)是表示倍電流整流電路的圖，(c)是表示半波整流電路的圖，(d)是表示倍電壓整流電路的圖。

圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)的圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施方式1.

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖，圖2是具體的電路圖。

如圖1、2所示，諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)由諧振型電力發(fā)送裝置1和諧振型電力接收裝置2構(gòu)成。此外，在圖2所示的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)中，示出了后述的諧振型電源11的諧振頻率為2MHz以上的情況，但也可以使用小于2MHz的諧振型電源。

諧振型電力發(fā)送裝置1由諧振型電源11、匹配電路12及諧振型發(fā)送天線13構(gòu)成。

諧振型電源11對向諧振型發(fā)送天線13的電力的提供進(jìn)行控制，將直流或交流的輸入電力轉(zhuǎn)換成規(guī)定頻率的交流并輸出。該諧振型電源11由諧振開關(guān)方式的電源電路構(gòu)成，具有輸出阻抗Zo、諧振頻率fo和諧振特性值Qo。

匹配電路12對諧振型電源11的輸出阻抗Zo與諧振型發(fā)送天線13的通過特性阻抗Zt之間進(jìn)行阻抗匹配。該匹配電路12由電感器L和電容器C所形成的π型或L型的濾波器構(gòu)成，具有其通過特性阻抗Zp。

諧振型發(fā)送天線13輸入經(jīng)由匹配電路12的來自諧振型電源11的交流電力并進(jìn)行諧振動作，使附近產(chǎn)生非輻射型的電磁場，從而對諧振型接收天線21進(jìn)行電力傳輸。該諧振型發(fā)送天線13是線圈狀的諧振型天線，具有其通過特性阻抗Zt、諧振頻率ft及諧振特性值Qt。

另外，諧振型電源11的諧振頻率fo及諧振特性值Qo根據(jù)諧振型電源11的輸出阻抗Zo和匹配電路12的通過特性阻抗Zp來決定。諧振型發(fā)送天線13的諧振頻率ft及諧振特性值Qt根據(jù)諧振型發(fā)送天線13的通過特性阻抗Zt和匹配電路12的通過特性阻抗Zp來決定。

而且，由于這兩個諧振特性值Qo、Qt，因此諧振型電力發(fā)送裝置1具有諧振特性值

諧振型電力接收裝置2由諧振型接收天線21、整流電路22及接收電路23構(gòu)成。該諧振型電力接收裝置2具有諧振頻率fr和諧振特性值Qr。

諧振型接收天線21通過與來自諧振型發(fā)送天線13的非輻射型電磁場進(jìn)行諧振耦合動作來接收電力，并輸出交流電力。該諧振型接收天線21是線圈狀的諧振型天線，具有其通過特性阻抗Zr。

整流電路22是具有將來自諧振型接收天線21的交流電力轉(zhuǎn)化為直流電力的整流功能、以及對諧振型接收天線21的通過特性阻抗Zr與接收電路23的輸入阻抗ZRL之間進(jìn)行阻抗匹配的匹配功能的匹配型整流電路。匹配功能由電感器L和電容器C所形成的π型或L型的濾波器構(gòu)成。另外，整流電路22具有通過特性阻抗Zs。此外，這里，設(shè)整流電路22具有整流功能和匹配功能，但并不局限于此，雖然整流效率降低但也可以僅由整流功能構(gòu)成。

接收電路23輸入來自整流電路22的直流電力，將其轉(zhuǎn)化為規(guī)定的電壓并提供給負(fù)載(未圖示)。該接收電路23由用于對高頻電壓紋波進(jìn)行平滑的LC濾波器(平滑濾波器)、以及用于轉(zhuǎn)換為規(guī)定的電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，具有其輸入阻抗ZRL。此外，也可以不設(shè)置DC/DC轉(zhuǎn)換器，而僅由平滑濾波器構(gòu)成。

另外，諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr及諧振頻率fr根據(jù)諧振型接收天線21的通過特性阻抗Zr、整流電路22的通過特性阻抗Zs和接收電路23的輸入阻抗ZRL來決定。

此外，諧振型收發(fā)天線13、21的諧振耦合的電力傳輸方式并無特別限定，可以是磁場共鳴的方式、電場共鳴的方式、電磁耦合的方式、接觸型的諧振耦合方式中的任意一種。

然后，在本發(fā)明中，對各功能部的特性阻抗進(jìn)行設(shè)定，使得諧振型電源11的諧振特性值Qo、諧振型發(fā)送天線13的諧振特性值Qt及諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr具有相關(guān)關(guān)系。即，使諧振型電力發(fā)送裝置1的諧振特性值與諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr相接近(下式(2))。具體而言，在下式(3)的范圍內(nèi)即可。

由此，能考慮與諧振型發(fā)送天線13相連接的諧振型電源11的影響所造成的諧振特性值的變動、以及與諧振型接收天線21相連接的接收電路23的影響所造成的諧振特性值的變動，來對諧振型電力發(fā)送裝置1及諧振型電力接收裝置2進(jìn)行設(shè)定。其結(jié)果是，整個系統(tǒng)能高效地進(jìn)行電力傳輸。

接著，使用圖3，對諧振型收發(fā)天線13、21間的距離d與耦合系數(shù)k(≒磁通交鏈率)之間的關(guān)系進(jìn)行說明。這里，在將諧振型收發(fā)天線13、21(螺旋形天線)的直徑Φ設(shè)為18[cm]的情況下，距離d與耦合系數(shù)k之間的關(guān)系如圖3(b)所示。即，距離d越近耦合系數(shù)k越大，距離d越遠(yuǎn)耦合系數(shù)k越小。

但是，如本發(fā)明那樣使三個諧振特性值Qo、Qt、Qr具有相關(guān)關(guān)系，從而能使諧振型收發(fā)天線13、21間的距離比現(xiàn)有的電磁感應(yīng)的距離要大，而不會使電力傳輸效率降低。

另外，在諧振型電力發(fā)送裝置1中，對各功能部的特性阻抗進(jìn)行設(shè)定，使得滿足下式(4)。具體而言，在下式(5)的范圍內(nèi)即可。

另外，在諧振型電力接收裝置2中，對各功能部的特性阻抗進(jìn)行設(shè)定，使得滿足下式(6)。具體而言，在下式(7)的范圍內(nèi)即可。

k·Qr≒1 (6)

0.5≦k·Qr≦1.5 (7)

由此，如圖4所示，能使整個系統(tǒng)的電力傳輸效率變得更高。

此外，如圖5(a)所示，在式(2)、(3)的條件下，將諧振型發(fā)送天線13的諧振頻率ft(實(shí)線)與諧振型接收天線21的諧振頻率fr(虛線)設(shè)定為不同值。此時，在理想狀態(tài)下，使諧振頻率ft、fr發(fā)生偏移，使得諧振特性值Qtx、Qr的交點(diǎn)變得最高，并且，使該交點(diǎn)與諧振型電源11的諧振頻率fo相一致。由此，如圖5(b)所示，能使式(2)、(3)中的諧振特性值接近最大，在諧振頻率(傳輸頻率)fo下，能使電力傳輸效率接近最大。

接著，對現(xiàn)有裝置與本發(fā)明的不同之處進(jìn)行說明。

如上所述，現(xiàn)有裝置將第一諧振器構(gòu)造(諧振型發(fā)送天線)的諧振特性值Q1和第二諧振器構(gòu)造(諧振型接收天線)的諧振特性值Q2設(shè)得較高，使得滿足式(1)。另一方面，在本發(fā)明中，使諧振型電源11的諧振特性值Qo、諧振型發(fā)送天線13的諧振特性值Qt及諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr這三個諧振特性值具有相關(guān)關(guān)系。其結(jié)果是，能將諧振型收發(fā)天線13、21間的距離d設(shè)得比現(xiàn)有的電磁耦合的距離要大，而不使電力傳輸效率降低。即，在本發(fā)明中，即使在相當(dāng)于現(xiàn)有裝置的諧振特性值Q1、Q2的諧振型收發(fā)天線13、21的諧振特性值Qr比現(xiàn)有裝置要低的情況下，也能高效地向遠(yuǎn)距離進(jìn)行電力傳輸。以下示出具體示例。

首先，示出以下情況：在諧振型電源11的諧振頻率fo下，將諧振型電源11的諧振特性值Qo設(shè)定為4，將諧振型發(fā)送天線13的諧振特性值Qt設(shè)定為6，將諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr設(shè)定為5。

在這種情況下，下式(8)的關(guān)系成立。

此時，根據(jù)式(4)、(6)，在滿足下式(9)的耦合系數(shù)k的條件下，能實(shí)現(xiàn)最高效率的電力傳輸。

k≒1/5＝0.2 (9)

這里，在諧振型收發(fā)天線13、21的直徑Φ為18[cm]的情況下(圖3)，為了滿足上述耦合系數(shù)k＝0.2，也可以將諧振型收發(fā)天線13、21的距離d設(shè)定為約7cm。另外，去除其諧振型收發(fā)天線13、21間的銅損的傳輸效率η滿足下式(10)。

接著，示出以下情況：在諧振型電源11的諧振頻率fo下，將諧振型電源11的諧振特性值Qo設(shè)定為40，將諧振型發(fā)送天線13的諧振特性值Qt設(shè)定為60，將諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr設(shè)定為50。

在這種情況下，下式(11)的關(guān)系成立。

此時，根據(jù)式(4)、(6)，在滿足下式(12)的耦合系數(shù)k的條件下，能實(shí)現(xiàn)最高效率的電力傳輸。

k≒1/50＝0.02 (12)

這里，在諧振型收發(fā)天線13、21的直徑Φ為18[cm]的情況下(圖3)，為了滿足上述耦合系數(shù)k＝0.02，將諧振型收發(fā)天線13、21的距離d設(shè)定為約20cm即可。另外，去除其諧振型收發(fā)天線13、21間的銅損后的傳輸效率η滿足式(10)。

接著，示出以下情況：在諧振型電源11的諧振頻率fo下，將諧振型電源11的諧振特性值Qo設(shè)定為120，將諧振型發(fā)送天線13的諧振特性值Qt設(shè)定為80，將諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr設(shè)定為100。

在這種情況下，下式(13)的關(guān)系成立。

此時，根據(jù)式(4)、(6)，在滿足下式(14)的耦合系數(shù)k的條件下，能實(shí)現(xiàn)最高效率的電力傳輸。

k≒1/100＝0.01 (14)

這里，在諧振型收發(fā)天線13、21的直徑Φ為18[cm]的情況下(圖3)，為了滿足上述耦合系數(shù)k＝0.01，也可以將諧振型收發(fā)天線13、21的距離d設(shè)定為約30cm。另外，去除其諧振型收發(fā)天線13、21間的銅損后的傳輸效率η滿足式(10)。

如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式1，對各功能部的特性阻抗進(jìn)行設(shè)定，使得諧振型電源11的諧振特性值Qo、諧振型發(fā)送天線13的諧振特性值Qt及諧振型電力接收裝置2的諧振特性值Qr具有相關(guān)關(guān)系，因此，能考慮由諧振型電源11及接收電路23的影響所造成的諧振特性值的變動，來設(shè)定諧振型電力發(fā)送裝置1和諧振型電力接收裝置2，并能對現(xiàn)有裝置力圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的電力傳輸?shù)母咝Щ?。另外，無論諧振型收發(fā)天線13、21的諧振特性值如何，都能將諧振型收發(fā)天線13、21間的距離設(shè)得比現(xiàn)有的電磁感應(yīng)的距離要遠(yuǎn)，而不使電力傳輸效率降低。

另外，由于也可以不提高諧振型收發(fā)天線13、21的諧振特性值，因此，諧振型收發(fā)天線13、21能進(jìn)行具有不受諧振特性值限制的自由度的天線設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、低成本化。另外，對于作為諧振型收發(fā)天線13、21的一部分來使用的電容器，無需使用高耐壓的電容器等特殊的元器件，因此，能實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、低成本化。

此外，本發(fā)明的諧振型電源11并不局限于圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，例如也可以采用圖6所示的電路結(jié)構(gòu)。這里，圖6(a)示出橋式整流器，圖6(b)示出D級整流器，圖6(c)示出DE級整流器。

另外，本發(fā)明的整流電路22并不局限于圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，例如也可以采用圖7所示的電路結(jié)構(gòu)。這里，圖7(a)示出E級整流電路，圖7(b)示出倍電流整流電路，圖7(c)示出半波整流電路，圖7(d)示出倍電壓整流電路。

另外，在圖1中，示出了在諧振型電力發(fā)送裝置1中設(shè)置匹配電路12的情況。然而，并不局限于此，如圖8所示，也可以采用不設(shè)置匹配電路12的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，諧振型電源11的諧振頻率fo及諧振特性值Qo根據(jù)諧振型電源11的輸出阻抗Zo和諧振型發(fā)送天線13的通過特性阻抗Zt來決定。另外，諧振型發(fā)送天線13的諧振頻率ft及諧振特性值Qt根據(jù)諧振型發(fā)送天線13的通過特性阻抗Zt和諧振型電源11的輸出阻抗Zo來決定。

另外，本發(fā)明申請?jiān)谄浒l(fā)明的范圍內(nèi)可以對實(shí)施方式的任意構(gòu)成要素進(jìn)行變形，或者省略實(shí)施方式的任意構(gòu)成要素。

工業(yè)上的實(shí)用性

本發(fā)明所涉及的諧振耦合型電力傳輸系統(tǒng)能進(jìn)行考慮了由諧振型電源及接收電路的影響所造成的諧振特性值的變動的設(shè)定，并能對現(xiàn)有裝置力圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的電力傳輸?shù)母咝Щ?，適用于利用諧振型收發(fā)天線的諧振特性來進(jìn)行電力傳輸?shù)闹C振耦合型電力傳輸系統(tǒng)等。

標(biāo)號說明

1 諧振型電力發(fā)送裝置

2 諧振型電力接收裝置

11 諧振型電源

12 匹配電路

13 諧振型發(fā)送天線

21 諧振型接收天線

22 整流電路

23 接收電路