諧振器和無線功率發(fā)射器的制造方法
【專利摘要】本公開涉及諧振器和無線功率發(fā)射器。根據(jù)一實(shí)施例，提供第一磁芯、線圈和第二磁芯。第一磁芯包括多個第一芯部，其彼此間隔開地布置。線圈繞第一磁芯纏繞。第二磁芯包括至少第二芯部，其布置在第一芯部之間的間隙中或布置為面對間隙。第一磁芯的磁阻小于第二磁芯的磁阻。
【專利說明】諧振器和無線功率發(fā)射器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于2012年11月8日提交的在先日本專利申請N0.2012-246285并主張其優(yōu)先權(quán)，該在先申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]這里描述的實(shí)施例涉及諧振器和無線功率發(fā)射器。
【背景技術(shù)】
[0004]相關(guān)技術(shù)的功率發(fā)射裝置具有如下配置:主諧振器和次諧振器(其具有線圈纏繞的基本平坦的磁芯)彼此相對以耐受主側(cè)線圈和次側(cè)線圈沿水平方向的位置移動，水平方向是與線圈的纏繞方向平行的方向。然而，這不期望地導(dǎo)致芯的面積在平面視圖中擴(kuò)展，增大了其重量。
[0005]為了解決關(guān)于重量的上述缺陷，相關(guān)技術(shù)的無線功率發(fā)射器具有如下配置:用于線圈的每個磁芯設(shè)置為間隔開布置的多個芯，以減小重量。由于磁場線從多個芯輸出以填充芯之間的間隙，所以主側(cè)的芯和次側(cè)的芯用作尺寸擴(kuò)展為包括芯之間的間隙的芯。
[0006]然而，在多個芯中的水平兩端的芯處的纏繞有線圈的部分上聚集最多磁通。因此，該配置的問題在于，如果芯被簡單地劃分，則實(shí)際上芯截面積變小，聚集度惡化，芯損耗增大。芯損耗的增大由如下原因?qū)е隆?br> [0007]一般，芯損耗(S卩，在磁體用作交流磁場中的芯的情況下的損耗)被分類為磁滯損耗、渦電流損耗和其他剩余損耗。根據(jù)Steinmetz的經(jīng)驗(yàn)方程，在磁通密度B在約0.1到I特斯拉的范圍，磁滯損耗與磁通密度B的1.6次方成比例。此外，渦電流損耗與磁通密度B的平方成比例。注意，已知其他剩余損耗在MHz或更大的頻率下增大。因此，例如，在使用IMHz或更小的頻率的情況下，其他剩余損耗可大致估計為遠(yuǎn)小于磁滯損耗和渦電流損耗。
[0008]如上所述，相關(guān)技術(shù)的無線功率發(fā)射器的問題在于，具有使用基本平坦的磁芯纏繞的線圈的諧振器變重。此外問題在于，為了減重而使用具有間隔開布置的多個芯的磁芯會導(dǎo)致磁通在水平兩端的磁芯處的線圈纏繞部分上最集中，惡化了集中度且增大了芯損耗。
[0009]此外，希望實(shí)現(xiàn)尺寸減小，損耗降低，厚度減小，整個裝置的重量減小，簡化散熱機(jī)構(gòu)，增大電功率，損耗減小等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]一示范性實(shí)施例提供一種諧振器，包括:第一磁芯，包括彼此間隔開地布置的多個第一芯部；線圈，纏繞所述第一磁芯；以及第二磁芯，包括至少第二芯部，所述第二芯部布置在所述第一芯部之間的間隙中或者布置為面對所述間隙，其中，所述第一磁芯的磁阻小于所述第二磁芯的磁阻?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0011]圖1不出根據(jù)一實(shí)施例的諧振器的第一不例；
[0012]圖2示意性示出圖1的配置中各區(qū)域的磁通強(qiáng)度分布；
[0013]圖3示出根據(jù)一實(shí)施例的諧振器的第二示例；
[0014]圖4示意性示出圖3的配置中各區(qū)域的磁通強(qiáng)度分布；
[0015]圖5示出其中第二磁芯配置為包括電介質(zhì)襯底和鐵氧體(ferrite)膜的諧振器；
[0016]圖6示出其中第二磁芯粘合到外殼的底表面的諧振器；
[0017]圖7示出圖3中的第二配置示例的修改示例；
[0018]圖8示出根據(jù)一實(shí)施例的諧振器的第三示例；
[0019]圖9是根據(jù)一實(shí)施例的無線功率發(fā)射器的框圖；
[0020]圖10示出通過繪制歸因于芯損耗的損耗電阻關(guān)于輸入電流的曲線而獲得的模擬
結(jié)果;
[0021]圖11示出在圖10的模擬中使用的諧振器的多個示例；
[0022]圖12示出通過計算使用圖11的每個諧振器的情況下的耦合系數(shù)得到的模擬結(jié)果；以及
[0023]圖13示出計算磁通密度分布的結(jié)果示例。
【具體實(shí)施方式】
[0024]根據(jù)一實(shí)施例,提供第一磁芯、線圈和第二磁芯。
[0025]第一磁芯包括多個第一芯部,其彼此間隔開地布置。
[0026]線圈繞第一磁芯纏繞。
[0027]第二磁芯包括至少第二芯部，其布置在第一芯部之間的間隙中或布置為面對間隙。
[0028]第一磁芯的磁阻(magnetic reluctance)小于第二磁芯的磁阻。
[0029]下面，參照附圖詳細(xì)描述實(shí)施例。
[0030]圖1示出根據(jù)一實(shí)施例的諧振器的第一配置示例。圖1的(A)是平面圖，圖1的(B)是從方向X觀看的正視圖，圖1的(C)是從方向Y觀看的側(cè)視圖。
[0031]該諧振器特別地使用這樣的磁構(gòu)件，該磁構(gòu)件在磁通聚集區(qū)域具有低磁阻率，在其他區(qū)域具有高磁阻率。這允許高發(fā)射效率得以維持，且重量得到減小。
[0032]圖1的(A)至(C)的諧振器包括磁芯塊11和繞磁芯塊11纏繞的線圈12。
[0033]磁芯塊11具有第一磁芯21和第二磁芯22 (22A和22B)。第二磁芯22包括兩個芯部22k和22B。
[0034]第二磁芯22的芯部22A和22B沿第一方向(紙面中垂直地)布置在第一磁芯21的兩側(cè)，如圖1的(A)所示。線圈12沿第一方向繞第一磁芯21的整體或部分纏繞。線圈12也可繞第二磁芯22的一部分纏繞。
[0035]第一磁芯21的磁阻小于第二磁芯22的磁阻。第二磁芯22 (芯部22A和22B)的橫向?qū)挾扰c第一磁芯21基本相同。第二磁芯22的厚度小于第一磁芯21。然而,第二磁芯22 (芯部22A和22B)的橫向?qū)挾瓤梢圆煌诘谝淮判?1。此外,只要第一磁芯21的磁阻小于第二磁芯22的磁阻，可采用其中第二磁芯22的厚度等于或大于第一磁芯21的配置。[0036]圖2示意性示出圖1的(A)至(C)的配置中各區(qū)域的磁通強(qiáng)度分布。區(qū)域I是強(qiáng)磁通部分，區(qū)域2是弱磁通部分。在圖1的(A)至(C)的配置中，第一磁芯主要布置在與區(qū)域I對應(yīng)的區(qū)域，具有比第一磁芯更高的磁阻的第二磁芯主要布置在與區(qū)域2對應(yīng)的區(qū)域。這允許高發(fā)射效率得以維持，且整體上重量得到減小。稍后將描述獲得這些效果的原因。
[0037]下面將描述第二磁芯22的配置示例。
[0038]第二磁芯22利用與第一磁芯相同的材料配置，且可以配置為比第一磁芯更薄。第二磁芯22配置為比第一磁芯21更薄以具有比第一磁芯21更高的磁阻。結(jié)果，諧振器的重量能被減小。第二磁芯22可利用與第一磁芯21相同的材料或者利用成分不同的磁體來配置。
[0039]此外，第二磁芯22可由與第一磁芯21不同的磁材料形成。例如，第二磁芯22可由比重小于第一磁芯21的磁材料形成。第二磁芯22由比重小于第一磁芯21的磁材料形成以具有比第一磁芯21更大的磁阻。結(jié)果，諧振器的重量能被減小。作為一種減小比重的技術(shù)，第二磁芯22可由磁材料和與該磁材料不同的材料的混合物形成。此時，與磁材料不同的相關(guān)材料可包括例如電介質(zhì)材料，諸如樹脂材料。這允許第二磁芯22的強(qiáng)度得到增大。
[0040]此外，第二磁芯22可由電介質(zhì)襯底和布置在電介質(zhì)襯底的表面上的磁膜形成。這允許第二磁芯22的強(qiáng)度得到增大。磁膜例如可以是鐵氧體膜或磁片。
[0041]圖3示出根據(jù)一實(shí)施例的諧振器的第二配置示例。圖3的(A)是平面圖，圖3的(B )是從方向X看到的正視圖，圖3的(C)是從方向Y看到的側(cè)視圖。
[0042]磁芯塊41具有第一磁芯51和第二磁芯52。第一磁芯51包括兩個芯部51A和51B。芯部51A和51B彼此間隔開地布置。
[0043]線圈42纏繞第一磁芯51。具有纏繞有線圈42的部分(磁通聚集在這些部分上)的芯部51A和51B分別具有沿頁面的擴(kuò)展部51A-1和51B-1。擴(kuò)展部51A-1和51B-1分別是芯部51A和51B的一部分。這允許在磁通聚集的部分處芯的更大截面積。線圈42纏繞第一磁芯51以包圍擴(kuò)展部51A-1和51B-1。
[0044]第二磁芯52布置在芯部51A和51B之間的間隙中。
[0045]圖4示意性示出圖3的配置中各區(qū)域的磁通強(qiáng)度分布。區(qū)域I是強(qiáng)磁通部分，區(qū)域2是弱磁通部分。在圖3的配置中，第一磁芯51A和51B主要布置在與區(qū)域I對應(yīng)的區(qū)域中，第二磁芯52主要布置在與區(qū)域2對應(yīng)的區(qū)域中。然而，區(qū)域I的一部分(在擴(kuò)展部51A-1和51B-1之間的部分)與第二磁芯52 —起布置，以將重量減小置于優(yōu)先位置。
[0046]類似于第一配置不例，第一磁芯51的磁阻小于第二磁芯52的磁阻。第二磁芯52可以與第一配置示例所示的具體示例類似地形成。
[0047]圖5示出第二磁芯52配置為包括電介質(zhì)襯底61和鐵氧體膜62的情況下的諧振器的配置。由于鐵氧體膜62是脆性的，所以其強(qiáng)度可通過粘合到電介質(zhì)襯底61而得到改善。可代替鐵氧體膜62使用磁片。此外，襯底可由諸如橡膠之類的樹脂材料和將用作第二磁芯的磁材料的混合物制成。這也可改善第二磁芯52的強(qiáng)度。
[0048]圖6的(A)示出其中第二磁芯73粘合到外殼71的內(nèi)表面(這里為底表面)的諧振器的配置。外殼71由例如電介質(zhì)形成。如圖6的(B)所不,外殼的一部分(例如,底表面)可由鋁、銅等的金屬板72形成，第二磁芯73可布置在其上。
[0049]圖7的(A)至(E)示出圖3的第二配置示例的六個修改示例。每個修改示例僅示出平面圖。正視圖和側(cè)視圖未示出，因?yàn)樗鼈兛梢詮膱D3容易地理解。
[0050]圖7的(A)示出第一修改示例。第一磁芯的芯部81A和81B在其中間分別設(shè)置有在與芯部面對的方向相反的方向(向外)的擴(kuò)展部81A-1和81B-1。數(shù)字82表不第二磁芯，83表示線圈。
[0051]圖7的(B)示出第二修改示例。在該示例中，芯部91A和91B在其內(nèi)側(cè)和外側(cè)都分別設(shè)置有擴(kuò)展部91A-1和91A-2以及91B-1和91B-2。數(shù)字92表示第二磁芯，93表示線圈。
[0052]圖7的(C)示出第三修改示例。在該示例中，芯部IOlA和IOlB分別具有設(shè)置在其內(nèi)側(cè)的擴(kuò)展部10IA-1和10IB-1。擴(kuò)展部10IA-1和10IB-1每個都具有朝向芯部的中心更寬的形狀。數(shù)字102表示第二磁芯，103表示線圈。
[0053]圖7的(D)示出第四修改示例。在該示例中，芯部IllA和IllB分別具有設(shè)置在其外側(cè)的擴(kuò)展部11IA-1和IllB-10擴(kuò)展部11IA-1和11IB-1每個都具有朝向芯部的中心更寬的形狀。
[0054]圖7的(E)示出第五修改示例。在該示例中，芯部121A和121B分別具有設(shè)置在其內(nèi)側(cè)和外側(cè)二者的擴(kuò)展部121A-1和121A-2以及121B-1和121B-2。擴(kuò)展部每個都具有朝向中心更寬的形狀。數(shù)字122表示第二磁芯，123表示線圈。
[0055]在圖3、圖7的(A)至(E)所示的配置中，第一磁芯利用間隔開布置的兩個芯部形成，但是可以利用三個或更多芯部形成。此時，第二磁芯可利用多個芯部形成，第二磁芯的芯部可布置在第一磁芯的芯部之間的間隙中，或者布置為面對間隙。
[0056]圖8示出根據(jù)一實(shí)施例的諧振器的第三配置示例。圖8的(A)是平面圖，圖8的(B )是從方向X看到的正視圖，圖8的(C)是從方向Y看到的側(cè)視圖。
[0057]這些圖與圖3的不同之處在于，第一磁芯進(jìn)一步包括芯部51A的擴(kuò)展部51A-1和芯部51B的擴(kuò)展部51B-1之間的芯部51C。第二磁芯(芯部52A和52B)布置在芯部51A和51B之間的間隙的未布置芯部5IC的至少一部分中。注意，在圖示的示例中，芯部5IC的厚度和磁阻與芯部51A和擴(kuò)展部51A-1相同?？刹捎闷渲写磐ň奂谄渖系牟糠值慕孛娣e可更大以增大發(fā)射效率的配置，但是比圖3的(A)到(C)的配置更重。第二磁芯由芯部51C分成芯部52A和52B。線圈42纏繞以包圍芯部51C。
[0058]圖9示出根據(jù)一實(shí)施例的無線功率發(fā)射器的框圖。當(dāng)執(zhí)行無線功率發(fā)射時，彼此面對的主諧振器132和次諧振器133彼此磁耦合以發(fā)射功率。作為主諧振器和次諧振器中的每個，可以使用圖1、圖3、圖7、圖8所示的諧振器等。
[0059]功率發(fā)射電路131提供電功率信號，該電功率信號具有主諧振器132能執(zhí)行高效率發(fā)射的頻率。主諧振器132和次諧振器133的耦合允許電功率信號被無線發(fā)射。次諧振器133接收的電功率信號被送往功率接收電路134。這里，如果需要的話，功率發(fā)射電路131的控制單元和功率接收電路134的控制單元利用功率發(fā)射電路131和功率接收電路134之間的無線信號彼此通信以開始、終止和停止功率的發(fā)送/接收，改變發(fā)送功率量等。
[0060]下面就發(fā)明人如何獲得實(shí)施例的思想進(jìn)行描述。
[0061]圖10示出通過繪制歸因于芯損耗的損耗電阻關(guān)于輸入電流的曲線而獲得的模擬結(jié)果。在模擬中，使用圖11的(A)、(B)和(C)所示的諧振器配置。圖11的(A)至(C)的諧振器中的每個都布置在鋁殼141中。[0062]圖11的(A)示出其中磁芯的厚度“t”為IOmm且均勻布置在整個表面上的配置(基本配置)。磁芯143被纏繞有線圈142。
[0063]圖11的(B)示出厚度“t”為5mm的磁芯144，該厚度是圖11的(A)的磁芯143的厚度的一半。除此之外的其他方面與圖11的(A)類似。
[0064]圖11的(C)示出厚度“t”為IOmm的磁芯143 (143AU43B和143C)，該厚度與圖11的(A)類似，但是芯被精巧地布置。也就是說，三個芯部143A、143B和143C間隔地布置以形成磁芯。圖11的(B)和(C)中的每個配置的重量約是圖11的(A)中的配置的一半。在圖11的(C)中，如圖3的(A)至(C)等所示的第二磁芯不布置在芯部之間的間隙中。
[0065]關(guān)于圖11的(A)和(B)的模擬結(jié)果彼此比較時表明，隨著磁芯的厚度簡單地變薄，磁阻變大，增大了芯磁體中的損耗。
[0066]另一方面,在芯主要布置在磁通聚集的部分上且芯不布置在具有小磁通密度的部分上，與僅使厚度減半的配置相比，芯損耗可以被進(jìn)一步抑制。
[0067]接下來，圖12示出通過計算使用圖11的(A)至(C)的三種諧振器中的每種的情況下的耦合系數(shù)獲得的模擬結(jié)果。
[0068]發(fā)現(xiàn)，與磁芯的厚度無關(guān)，在將磁芯布置在整個表面上的情況下耦合系數(shù)高，而不是在將多個芯部間隔開地布置的情況下(或者不是在使芯稀薄的情況下)。也就是說，意識至IJ，即使磁芯的厚度變薄，對耦合系數(shù)也沒有影響或者影響有限。
[0069]根據(jù)圖12的模擬結(jié)果，優(yōu)選增大磁芯的表面積以獲得高耦合系數(shù)值。此外，根據(jù)圖10的模擬結(jié)果，降低磁通更聚集的部分中的磁阻能抑制芯損耗的上升。無線功率發(fā)射效率由諧振器之間的耦合系數(shù)“K”與諧振器的Q因子(《L/R)的乘積定義。因此，本發(fā)明人獲得了這樣的諧振器配置的思想，其中磁芯的面積增大，在磁通較少聚集的部分磁阻增大(重量減小)，使得耦合系數(shù)的減小和芯損耗的上升得到抑制，以減小整體重量。
[0070]圖13的(B)示出計算圖13的(A)所示的諧振器配置中的磁通密度分布的結(jié)果示例。圖13的(A)中的諧振器具有線圈152纏繞的磁芯151，且具有與圖11的(A)或(B)類似的配置。
[0071]如圖13的(B)所示，線圈匝正下方的磁通密度最強(qiáng)。越朝向端部，磁通密度越低。因此，如上所述，與磁通密度分布對應(yīng)地對區(qū)域進(jìn)行劃分，在磁通聚集的區(qū)域中磁阻降低，在其他區(qū)域中磁阻增大(重量減小)。這可以實(shí)現(xiàn)高效率的發(fā)射(抑制耦合系數(shù)的減小，抑制芯損耗的增大)以及重量減小。
[0072]雖然已經(jīng)描述了某些實(shí)施例，但是這些實(shí)施例僅以示范的方式給出，而無意限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，這里描述的新穎的實(shí)施例可以以各種其他形式體現(xiàn)；此外，可以在這里描述的實(shí)施例的形式中進(jìn)行各種省略、替代和改變而不偏離本發(fā)明的思想。附圖及其等價物旨在覆蓋將落入在本發(fā)明的思想和范圍內(nèi)的這些形式和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種諧振器,包括: 第一磁芯，包括彼此間隔開地布置的多個第一芯部； 線圈，纏繞所述第一磁芯；以及 第二磁芯，包括至少第二芯部，所述第二芯部布置在所述第一芯部之間的間隙中或者布置為面對所述間隙， 其中，所述第一磁芯的磁阻小于所述第二磁芯的磁阻。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第一磁芯還包括布置在所述第一芯部之間的間隙的一部分中的第三芯部，以及 所述第一芯部和所述第三芯部一體形成為一個整體， 所述第三芯部和所述第一芯部纏繞有線圈，且 所述第二芯部布置在所述第一芯部之間的間隙的一部分中，該部分不同于布置所述第三芯部的部分，或者所述第二芯部布置為面對所述不同的部分。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第二磁芯由比重小于所述第一磁芯的磁材料形成。
4.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第二磁芯包括電介質(zhì)襯底和布置在該電介質(zhì)襯底的表面上的磁膜。
5.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第二磁芯布置在外殼的內(nèi)表面上。
6.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第二磁芯的厚度小于所述第一磁芯。
7.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第二磁芯由磁材料和電介質(zhì)材料的混合物形成。
8.—種諧振器,包括: 第一磁芯； 第二磁芯，包括布置在所述第一磁芯側(cè)面的芯部；以及 線圈，纏繞所述第一磁芯， 其中，所述第一磁芯的磁阻小于所述第二磁芯的磁阻。
9.如權(quán)利要求8所述的諧振器，其中，所述第二磁芯由比重小于所述第一磁芯的磁材料形成。
10.如權(quán)利要求8所述的諧振器，其中，所述第二磁芯包括電介質(zhì)襯底和布置在該電介質(zhì)襯底的表面上的磁膜。
11.如權(quán)利要求8所述的諧振器，其中，所述第二磁芯布置在外殼的內(nèi)表面上。
12.如權(quán)利要求8所述的諧振器，其中，所述第二磁芯的厚度小于所述第一磁芯。
13.如權(quán)利要求8所述的諧振器，其中，所述第二磁芯由磁材料和電介質(zhì)材料的混合物形成。
14.一種無線功率發(fā)射器，包括: 主諧振器，由根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器形成，且配置為接收來自功率發(fā)射電路的交流信號并且產(chǎn)生與該交流信號對應(yīng)的磁場；以及 次諧振器，由根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器形成，且配置為通過磁耦合到該主諧振器來接收該交流信號。
【文檔編號】H01F27/24GK103811163SQ201310544599
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月8日
【發(fā)明者】山田亞希子, 司城徹, 尾林秀一 申請人:株式會社東芝