受電裝置和輸電裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】受電裝置和輸電裝置
[0001](本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2012年3月12日，申請(qǐng)?zhí)枮?01210064098.8，發(fā)明名稱為《非接觸電力傳送系統(tǒng)、受電裝置和輸電裝置》的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng))
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及使用非接觸數(shù)據(jù)通信單元和磁諧振的非接觸電力傳送單元、裝置和進(jìn)行它們的輸送接收的天線，涉及應(yīng)用于對(duì)裝載有非接觸IC卡和電池的便攜設(shè)備的非接觸的充電裝置的有效技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003]作為本發(fā)明者研究的技術(shù)，關(guān)于非接觸充電系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)，例如能夠考慮圖24所示的結(jié)構(gòu)作為一例。
[0004]圖24是表不非接觸的充電系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的一例的框圖，圖中的系統(tǒng)包括設(shè)置在鐵路車站和店鋪等電力提供者一側(cè)的輸電裝置701和使用者具有的便攜終端裝置702。本系統(tǒng)中，便攜終端裝置702由輸電裝置701充電。
[0005]輸電裝置701包括:RFID讀取器等非接觸型處理模塊713、非接觸型輸電模塊712和輸電控制模塊711。
[0006]便攜終端裝置702包括:用于RFID等非接觸型處理動(dòng)作的非接觸型處理模塊723、用于充電的非接觸型受電模塊722、進(jìn)行充電的判斷和控制的受電控制模塊721和能夠高速充電的大容量蓄電模塊720。
[0007]圖中是如下結(jié)構(gòu):持有便攜終端702的使用者，為了在設(shè)置在車站和店鋪等的輸電裝置701上裝載的非接觸型處理模塊713與便攜終端702上裝載的非接觸型處理模塊723之間進(jìn)行電子結(jié)算等而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，對(duì)比輸電裝置701上裝載的非接觸型輸電模塊712更靠終端側(cè)的非接觸型輸電模塊722通過(guò)非接觸輸送電力，并且在非接觸型輸電模塊722中，對(duì)接受的電力整流后對(duì)高速大容量蓄電模塊720進(jìn)行充電，圖中的輸電控制模塊711和受電控制模塊721中，進(jìn)行這些模塊之間的非接觸的輸電的控制，并且進(jìn)行對(duì)高速大容量蓄電模塊720進(jìn)行充電的充電控制。
[0008]以上的結(jié)構(gòu)中，由于是在非接觸型處理模塊713、723之間進(jìn)行通信期間進(jìn)行便攜終端裝置702的電源的充電的結(jié)構(gòu)，所以在減少便攜終端裝置702的充電時(shí)間的基礎(chǔ)上，只要頻繁地在非接觸型處理模塊713、723之間進(jìn)行通信，無(wú)需特別對(duì)便攜終端裝置702充電就能夠持續(xù)進(jìn)行終端的使用(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0009]進(jìn)而在圖24所示的非接觸的通信和用于充電的輸電中，數(shù)cm以下距離較近的非接觸通信和非接觸輸電，一般是通過(guò)電磁感應(yīng)方式和磁諧振方式等磁耦合進(jìn)行的傳送。這是因?yàn)?，作為其他傳送方式被認(rèn)為有效的使用電波的傳送方式與傳送的距離r成反比，與此相對(duì)，使用電磁耦合的傳送的強(qiáng)度與傳送距離r的2次方成反比，例如在傳送距離小于Im的情況下，I/(r2)這一項(xiàng)比Ι/r大。
[0010]因此，非接觸的通信和用于充電的輸電所使用的頻率使用10kHz頻域到十幾MHz程度的頻率，作為這些輸送接收使用的天線，為了使磁耦合較強(qiáng)，如圖25所示，一般使用數(shù)圈到數(shù)十圈的線圈狀的天線，使用像圖24所示的用于便攜終端的非接觸通信和非接觸的輸電那樣的直徑4cm程度的線圈狀的天線(例如，參照非專利文獻(xiàn)I)。
[0011]作為本發(fā)明者研究的其他技術(shù)，已知有非專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)2記載的技術(shù)。關(guān)于該非接觸電力傳送系統(tǒng)，例如能夠考慮如圖26所示的結(jié)構(gòu)作為一例。
[0012]圖26是表示非接觸的電力傳送系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的一例的結(jié)構(gòu)圖，非接觸電力傳送系統(tǒng)730中，由高頻電源731、經(jīng)由可變阻抗電路737與高頻電源731連接的供電線圈732和諧振線圈733構(gòu)成一次側(cè)線圈，由諧振線圈734和負(fù)載線圈735構(gòu)成二次側(cè)線圈，具有與負(fù)載線圈735連接的負(fù)載736。
[0013]進(jìn)而，在諧振線圈733、734分別連接有諧振電容738、739，供電線圈732、諧振線圈733、734、負(fù)載線圈735構(gòu)成諧振系統(tǒng)740。此外，高頻電源731的輸出頻率設(shè)定為諧振系統(tǒng)740的諧振頻率。
[0014]阻抗可變電路737，由2個(gè)可變電容741、742和電感器743構(gòu)成。一個(gè)可變電容741與高頻電源731并聯(lián)連接，另一個(gè)可變電容742與供電線圈732并聯(lián)連接。電感器743連接在兩個(gè)可變電容741、742之間。阻抗可變電路737，通過(guò)變換可變電容741、742的容量來(lái)變更其阻抗。該阻抗可變電路737調(diào)整阻抗使諧振系統(tǒng)740的諧振頻率下的輸入阻抗與高頻電源731 —側(cè)的阻抗相匹配?？勺冸娙?41、742通過(guò)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸來(lái)使容量可變，這是眾所周知的結(jié)構(gòu)，是電機(jī)根據(jù)來(lái)自控制裝置744的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。
[0015]從高頻電源731經(jīng)由阻抗可變電路737對(duì)供電線圈732以諧振系統(tǒng)740的頻率輸出高頻電壓，在供電線圈732產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)通過(guò)諧振線圈733、734產(chǎn)生的磁場(chǎng)諧振而增強(qiáng)。從增強(qiáng)后的諧振線圈734附近的磁場(chǎng)通過(guò)負(fù)載線圈735利用電磁感應(yīng)取得電力供給到負(fù)載736。
[0016]此時(shí)，如果諧振線圈733、734的線圈間距離變化，則諧振系統(tǒng)740的輸入阻抗也發(fā)生變化。因此，在沒(méi)有阻抗可變電路737的情況下，因諧振線圈733、734的線圈間距離，無(wú)法取得阻抗匹配，產(chǎn)生對(duì)高頻電源731的反射電力，傳送效率降低。此外，從其他觀點(diǎn)來(lái)看，因線圈間距離使產(chǎn)生磁諧振現(xiàn)象的頻率發(fā)生變動(dòng)，所以磁諧振頻率對(duì)于高頻電源731的輸出頻率偏離時(shí)傳送損耗增大。因此，雖然可以將高頻電源的頻率與線圈間距離對(duì)應(yīng)地調(diào)整成傳送損耗最小的頻率，但改變發(fā)送頻率可能會(huì)對(duì)其他通信設(shè)備造成影響所以一般不實(shí)行。因此，在線圈間距離發(fā)生變動(dòng)，諧振系統(tǒng)740的輸入阻抗發(fā)生變動(dòng)的情況下，通過(guò)控制裝置744調(diào)整可變電容741、742來(lái)取得阻抗匹配。
[0017]先行技術(shù)文獻(xiàn)
[0018]專利文獻(xiàn)
[0019]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2006-353042號(hào)公報(bào)圖1
[0020]專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2010-141976號(hào)公報(bào)圖1
[0021]非專利文獻(xiàn)1:日經(jīng)Business 2009年I月26日號(hào)78頁(yè)日經(jīng)BP社
[0022]非專利文獻(xiàn)2:NIKKEI ELECTRONICS 2007.12.31 17 項(xiàng)?128 項(xiàng)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]發(fā)明要解決的課題
[0024]但是，上述圖24所示的現(xiàn)有技術(shù)的充電系統(tǒng)中，個(gè)別地使用非接觸通信和非接觸的輸電，所以分別需要直徑4cm程度的線圈狀的天線。因此，特別是要在小型化的要求高的便攜終端上裝載圖24所示的充電系統(tǒng)的情況下，需要內(nèi)置2個(gè)上述線圈狀的天線元件，所以具有便攜終端裝置的小型化困難的課題。
[0025]進(jìn)而，上述圖24所示的現(xiàn)有技術(shù)的充電系統(tǒng)中，在非接觸的輸電中，非接觸部的傳送損耗較大時(shí)輸電裝置的效率降低，消耗電力增加，所以一般使用在近距離(數(shù)cm以下)獲得較高效率的電磁感應(yīng)方式，反之當(dāng)傳送距離增大某種程度時(shí)(例如I?2cm程度)傳送效率急劇劣化，所以在想要在便攜終端裝置上裝載現(xiàn)有技術(shù)的受電裝置的情況下，需要將受電裝置的天線貼在便攜終端裝置的表面等使充電時(shí)輸電裝置與受電裝置之間的傳送距離縮短，所以存在裝載位置受到限制的課題。
[0026]進(jìn)而，便攜終端裝置的通信頻率是800MHz頻域和2GHz頻域等較高的頻率，用于該通信的天線得以小型化，能夠內(nèi)置于通信終端。但是，在將接受上述的非接觸通信和非接觸的輸電的天線內(nèi)置于便攜終端的情況下，來(lái)自所內(nèi)置的便攜終端裝置的通信天線的電波，比進(jìn)行非接觸通信和非接觸的輸電的頻率高數(shù)百倍程度，所以進(jìn)行非接觸通信和非接觸的受電的天線看起來(lái)只會(huì)像金屬板那樣。因此進(jìn)行非接觸通信和非接觸的受電的天線部會(huì)發(fā)生反射，所以具有對(duì)便攜終端裝置的接收靈敏度造成影響的課題。
[0027]此外，上述圖26所示的現(xiàn)有技術(shù)的非接觸的電力傳送系統(tǒng)中，因磁諧振線圈的線圈間距離的變動(dòng)而使諧振系統(tǒng)的輸入阻抗變動(dòng)，由此導(dǎo)致一次線圈側(cè)與二次線圈側(cè)之間的頻率特性改變、傳送效率劣化，這種現(xiàn)象用通過(guò)調(diào)整可變阻抗電路的可變電容實(shí)現(xiàn)高頻電源與諧振系統(tǒng)的阻抗匹配的結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但在傳送數(shù)W以上的電力的情況下，出于電力容量和耐壓的問(wèn)題，可變電容難以使用可變電容二極管等半導(dǎo)體。因此，需要使用可變電容器等機(jī)械式的可變電容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸電器的小型化。此外，因?yàn)榭勺冸娙菔菣C(jī)械式的，所以在耐久性的方面存在課題。
[0028]進(jìn)而，上述圖26所示的非接觸的電力傳送系統(tǒng)中，在磁諧振線圈的線圈間距離為數(shù)_程度的非常近距離的傳送中，與利用磁諧振線圈間的磁諧振的傳送相對(duì)地，利用電磁感應(yīng)的傳送的比例增加會(huì)產(chǎn)生影響，具有使線圈更近時(shí)傳送效率反而降低的課題。
[0029]用于解決課題的方法
[0030]本發(fā)明為了達(dá)成上述目的，對(duì)于上述課題、即在要裝載接受非接觸通信和非接觸的輸電的天線的情況下便攜終端裝置的小型化困難的課題，通過(guò)構(gòu)成為使非接觸通信用天線與接受非接觸的輸電的天線共用化，并且在共用化的天線的接收輸出部設(shè)置切換電路，共用化的天線接受來(lái)自輸電裝置的輸電電力的情況下，將切換電路切換到充電側(cè)，經(jīng)由該切換電路在整流電路中將受電信號(hào)整流對(duì)電池充電，在接收非接觸通信信號(hào)的情況下，切換電路就這樣保持非接觸通信側(cè)，由此能夠進(jìn)行非接觸通信。
[0031]接著，關(guān)于在進(jìn)行充電的情況下，需要縮短輸電裝置與受電裝置間的傳送距離以使效率不會(huì)劣化，所以裝載位置受到限制的課題，構(gòu)成為，作為在輸電裝置中用于輸電的天線，為由具有與用于輸電的頻率諧振的長(zhǎng)度的線圈長(zhǎng)度的兩端未電連接的諧振線圈和對(duì)諧振線圈將輸電電力磁耦合供電的供電線圈組成的被稱為磁諧振方式的方式，通過(guò)供電線圈供給來(lái)自輸電裝置的輸電電力，并且非接觸通信信號(hào)也與輸電信號(hào)疊加發(fā)送。
[0032]同樣在受電裝置中作為用于受電的天線，也是從具有與用于輸電的頻率諧振的和輸電側(cè)相等的長(zhǎng)度的線圈長(zhǎng)度的兩端未電連接的諧振線圈和將諧振線圈接受的受電電力磁耦合的負(fù)載線圈取得受電電力的磁諧振方式。
[0033]通過(guò)使用以上的結(jié)構(gòu)，使輸電側(cè)的諧振線圈與接收側(cè)的諧振線圈的諧振頻率相等，由此使流過(guò)輸電側(cè)的諧振線圈的電流所產(chǎn)生的磁通與流過(guò)接收側(cè)的諧振線圈的電流所產(chǎn)生的磁通的相位為同相，由此上述諧振線圈之間較強(qiáng)地耦合。該現(xiàn)象被稱為磁諧振現(xiàn)象，由于具有與以往的非接觸傳送中主要使用的電磁感應(yīng)方式相比即使線圈間距離遠(yuǎn)，效率的降低也較少的特長(zhǎng)，所以即使線圈間距離遠(yuǎn)，效率的降低也較少，所以在便攜終端裝置上裝載受電裝置的情況下，能夠成為受電天線的裝載位置的限制更少的結(jié)構(gòu)。
[0034]對(duì)于在進(jìn)行非接觸通信和非接觸的受電的天線部發(fā)生反射，對(duì)便攜終端裝置的接收靈敏度造成影響的課題，構(gòu)成為與上述裝載位置受到限制的課題同樣地，輸電和受電用天線使用磁諧振方式，并且刪除受電側(cè)的天線的諧振線圈。
[0035]該結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成為輸電側(cè)為磁諧振方式，受電側(cè)為電磁感應(yīng)方式，而線圈間的傳送距離能獲得與接收側(cè)為磁諧振方式的情況大致同等的傳送距離。
[0036]通過(guò)使用以上結(jié)構(gòu)，受電側(cè)的天線只有負(fù)載線圈，所以僅為直徑3cm程度的I?數(shù)圈的環(huán)形線圈，與以往的數(shù)十圈的密集卷繞的線圈相比，用于便攜終端裝置的通信的電波的反射較小，所以能夠進(jìn)一步減小對(duì)通信天線的影響。
[0037]以上，電力傳送頻率與非接觸通信為相同的頻率，以下說(shuō)明頻率不同的情況下使天線共用化的方法。
[0038]—般而言在磁諧振方式的傳送中，與對(duì)諧振線圈供電的供電線圈和取得從諧振線圈接收的電力的負(fù)載線圈相比，諧振線圈的圈數(shù)更多，電感值也較大。
[0039]非接觸通信的頻率與非接觸的電力傳送的頻率不同的情況下，構(gòu)成為與上述接收側(cè)諧振線圈并聯(lián)地連接第一電容，并且將第二電容經(jīng)由第一濾波器電路串聯(lián)或者并聯(lián)地連接之后，取得較低頻率的信號(hào)，并且構(gòu)成為以與諧振線圈磁耦合的方式將負(fù)載線圈接近受電線圈設(shè)置，經(jīng)由第二濾波器電路將較高頻率的信號(hào)取出至負(fù)載線圈，第一電容為諧振線圈與較高頻率的信號(hào)諧振的值，第二電容為諧振線圈與較低頻率的信號(hào)諧振的值，進(jìn)而構(gòu)成為第一濾波器電路使較低頻率的信號(hào)通過(guò)，阻止較高頻率的信號(hào)的通過(guò)，第二濾波器電路使較高頻率的信號(hào)通過(guò)，阻止較低頻率的信號(hào)的通過(guò)。
[0040]通過(guò)使用以上的結(jié)構(gòu)，能夠從諧振線圈輸出由諧振線圈與第二電容諧振的較低頻率的信號(hào)，并且能夠從負(fù)載線圈與圖26所示的現(xiàn)有技術(shù)同樣地通過(guò)磁諧振方式輸出諧振線圈與第一電容諧振的較高頻率的信號(hào)。
[0041]此處，作為現(xiàn)有的電磁感應(yīng)方式的非接觸的電力傳送中使用的線圈的大小的一例，一般而言，如果是用于對(duì)便攜設(shè)備等的充電等的5W程度以下，則為直徑數(shù)cm、數(shù)十圈程度的圈數(shù)，是用于對(duì)電動(dòng)汽車等的充電的數(shù)kW級(jí)別，則為直徑數(shù)十cm、數(shù)十圈程度的圈數(shù)，使用的頻率是數(shù)十kHz至數(shù)百kHz，傳送距離為數(shù)cm以下。此外，磁諧振方式的非接觸的電力傳送中使用的線圈的大小，如果是用于對(duì)便攜設(shè)備等的充電等的5W程度以下，則為直徑數(shù)cm、數(shù)十圈程度的圈數(shù)，是用于對(duì)電動(dòng)汽車等的充電的數(shù)kW級(jí)別，則為直徑數(shù)十cm、數(shù)圈到數(shù)十圈程度的圈數(shù)，使用的頻率為數(shù)MHz