JP2018183024A - 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率が高い、並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを課題とする。【解決手段】並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を直列３素子型ＢＰＦ回路の帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量を２個の結合容量の直列接続で構成し、前記２個の結合容量の入出力端に接続されない端子と接地間にインダクタまたは容量を設けた事により、小さい結合容量を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。【選択図】図１

Description

本発明は、各種の負荷に対して電力供給を行うための電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタに関するものである。

電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタは特許文献１において、結合容量及びインダクタを用いた回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
（例えば特許文献１）

並列共振型電力供給システム用フィルタは、特許文献２及び非特許文献１において、その回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
（例えば特許文献２、非特許文献１参照。）

特許文献１の第２図は、回路構成の入出力端に、二つのＬＣ並列共振回路を設け、その並列共振回路間の結合容量により、非接触給電を行う。このフィルタは、電力供給システムにおいて、電極の配置状態の変化に伴う電力変化の少ない、安定した電力供給を行うことが可能となる電力供給システムを提供することを目的とした回路構成である。

特開２０１５−０７３２２５号公報 特開２０１４−１５５４２７号公報

「電界結合方式ワイヤレス給電装置の製作」、ＣＱ出版社、グリーン・エレクトロニクスＮＯ１７、（２０１４−１２）（ｐｐ５０−ｐｐ５９） 「電子工学データブック」、川上正光監訳、近代科学社、１９６３年６月、（ｐｐ１５８） 「比誘電率」、ｈｔｔｐｓ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ６％ＡＦ％９４％Ｅ８％ＡＡ％９８％Ｅ９％９Ｂ％ＢＢ％Ｅ７％８Ｅ％８７、２０１７年１月、

しかしながら、特許文献１は、電力を非接触で伝送するために必要な結合電極回路を構成するＬＣ素子値の決定手法、その回路実装構造に関するものある。安定した電力供給を行うことを目的とした回路実装構造に関するもので、並列共振型電力供給用フィルタとして、製品規格からそのフィルタに要求されるフィルタ特性、そのフィルタ特性からそのフィルタを構成する、ＬＣの素子値に関する課題がある。また、回路構成は、並列共振型電力供給用フィルタの基本回路構成に、入出力端にトランスを介したインピーダンス調整用並列共振回路が設けられている。図１に示される結合電極だけでは、並列共振型電力供給用フィルタに要求される特性を満足するフィルタを得るのが本発明の課題である。

また、特許文献１の並列共振型電力供給用フィルタは、非特許文献２にも示されているＣ結合帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）である。この型ＢＰＦの回路構成は、まず結合容量を想定して、他の構成素子値を決め、充電器特性を測定し、その測定から、構成ＬＣを変化させ、充電器特性を満足するフィルタを得ている事が現状である。本発明の他の課題は、充電器として要求される電力伝送効率が高く、結合容量を小さくした、調整用意な並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、前記入力並列共振器と出力並列共振器間に、直列３素子型ＢＰＦ回路のインダクタと結合容量とインダクタを設け、この二つの直列共振回路によりなる並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記結合容量はπ型容量回路から構成され、結合容量を小さくした事を特徴とする。

また、請求項２に記載の並列共振型電力供給用システムは、外部回路との整合を良くするため入出力の並列共振器にインピーダンスレベル調整用端子を設定した事を特徴とする。

また、請求項３に記載の並列共振型電力供給用システムは、入出力の並列共振器の並列器共振インピーダンスのゼロ値が伝送周波数の２倍以上に設定した事を特徴とする。

請求項１から請求項５の並列共振型電力システムにおいて、結合容量を含む構成する帯域通過フィルタの容量の一部又は全ての容量をガラス基板の高誘電率材質で形成した容量を用いた事を特徴とする並列共振型電力供給システム。

本発明によれば、結合容量の小さい値に設定された並列共振型電力供給用システム用フィルタにより、広帯域効率特性を有するフィルタが得られ、並列共振型電力供給用システム用フィルタはこの容量値を変化させても入出力並列共振器の共振周波数の変動が少なく、安定な効率特性で、容量調整を容易にした事を可能とする。

図１は本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成１である。 図２は本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成２である。 図３は本発明の回路構成１の素子損失部分検討回路である。 図４は従来の電磁結合方式のパッケージ構成である。 図５は本発明の電界結合方式のパッケージ構成である。 図６は本発明の回路構成である。

並列共振型電力供給用フィルタは、非特許文献２に示されているごとく、直列３素子型ＢＰＦ回路構成を基本として、この回路は、その設計段階において、構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、充電器用フィルタが試作されると想定されるが、非特許文献１等から想定すると、試作においては、最初結合容量設定製作し、データを取得し、そのデータを基にして、入出力の並列共振器を設計試作する方法で、製作したフィルタを用いた電力供給システムに提供されているのが現状である。そこで、本発明の並列共振型電力供給用フィルタは、前記非特許文献２に示されている如く、入出力端に並列共振回路、及びその入出力並列共振器間に結合容量を介して接続されている直列３素子型ＢＰＦ構成を基本として、その結合容量を小さい値に設定できる事を特徴とする。

（１）本発明のシミュレーション
まず、本発明の回路構成（１）となるシミュレーションは、図１の回路構成（１）のＦ行列から、回路の周波数特性を示す（５）のＳ、効率特性を示す（７）のη２１を用いて、電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成（１）の特性を評価する。

通常電力供給システム用フィルタは、非特許文献２に示されている如く、（１）フィルタ条件、（２）力率条件、（３）整合条件の検討が必要である。ここでは、このフィルタ条件及び力率条件について評価検討した。評価の基準はＦ行列を用いた。このＦ行列は数（１）で与えられ、そのＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄの四端子定数は下記数（２）に示される。

また、図１の回路構成（１）のＦ行列の各要素を数（３）で与えられる。
ここで、Ｙ＝Ｙ１＝Ｙ２＝ＬＣ並列共振回路のアドミタンス、Ｚは結合容量のインピーダンス、ｎは理想変成器の変成比である。
具体的、図１の回路構成の数（４）の各要素を計算すると数（４）で与えられる。

ここで、図１の回路構成の場合、Ｌ１＝Ｌ２、Ｃ１＝Ｃ２、結合容量Ｃ３１＝Ｃ３２、及びｎ＝理想変成器の変成比である。この事は、結合容量調整において、結合容量を変化させると必ず関連する共振回路の共振周波数は変化する。したがって、Ｃ１とＣ３１の比Ｃ１／Ｃ３１を大きくなるように素子値を決める必要がある。このＣ１／Ｃ３１を容量比として、電界結合型電力供給システム用フィルタの特性を決める重要な因子である。したがって、駆動抵抗をＲＤ（Ω）及び終端抵抗をＲＬ（Ω）の場合、本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの伝送特性Ｓは、数（３）（４）の要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから（５）のように評価される。本来は電力伝送特性について、評価する必要があるがここでは、まず伝送特性Ｓについて評価する。

次に、効率特性に関係するＳ行列のＳ２１要素は、数（５）の逆（６）で与えられる。

また、電力伝送効率特性η２１は数（７）で得られる。

（２）試作実施例及びそのＱ値のシミュレーション結果
本シミュレーションは２．０ＭＨｚ帯の並列共振型電力伝送システム用フィルタについておこなった。２．０ＭＨｚについては、通過帯域を±０．１ＭＨｚ、±０．２ＭＨｚとして構成素子値を求めた。構成素子値は全て、同じ無負荷Ｑを持つとしておこなった。また、この無負荷ＱはＱ＝５０として、基準特性として、このＱ値を変動させて、２．０ＭＨｚの損失値変動データも取得した。

請求項１，請求項２及び請求項３の場合について、伝送周波数２．０ＭＨｚにおいて、通過帯域を、±０．２ＭＨｚとして、算出した素子値を表１に示す。
この場合、結合容量はＣ３で、３９ｐＦである。ここで、この直列３素子型ＢＰＦの結合容量と出力端並列共振器間に理想変成器を設けたのが、図１の本発明の回路構成１である。理想変成器の変成比ｎ及び入力出力端並列共振器のＬＣをパラメータとして、結合容量Ｃ３の最適化を図った結果を表１に示す。表１の並列共振器のＬＣ素子値は、Ｃ１＝Ｃ２＝１５００ｐＦとして、セラミックコンデンサを、インダクタは、形状Ｔ−３７のトロイダルコアに、銅メツキ軟銅線０．３ｍｍを４０Ｔ巻いて、Ｌ１、Ｌ２とした。結合容量Ｃ３１は、表２においては、３９ｐＦとして、またｎ＝１の理想変成器を設けて測定した結果を、表２に示す。表２の試作データにおいて、Ｆ０は中心周波数、−３は通過帯域の低域における３ｄＢ降下周波数、３は通過帯域の高域側における３ｄＢ降下周波数、帯域幅は前記３ｄＢ周波数の差である。
表２から、２．０ＭＨｚにおける損失が１．２ｄＢで効率は８０％以上である。また請求項３を満足すれば表２の値が得られる事を確認している。

実施例１のシミュレーション検討１

図１の回路構成はトロイダルコア６個を用いているので、図３に示す図１の分割回路のコイル損失によるフィルタの損失値を検討した。表１の実施例１の構成素子値を用いて、２．０ＭＨｚのおける構成素子値のＱと損失値の関係を調査した。その結果、Ｑと２．０ＭＨｚの損失値には次の関係がある事が判明した。
この損失値は効率特性になるので、このＱ値が１００で、損失が０．６ｄＢである。この損失は０．４ｄＢで効率９０％になるので、形状Ｔ−３７のトロイダルコアを用いると、図１の回路構成の場合、効率は８８％になる事である。

電界結合型フィルタにおいては結合容量を小さい値に設定する事が望まれる。しかし、最近非特許文献１においての結合容量は８０ｐＦで用いられている。本願においては３９ｐＦの結合容量で必要な特性が得られる。本願図１の回路構成はこの結合容量値は更なる小さい値でも特性が得られる事が可能である事を表４で示している。表４の場合結合容量を１６ｐＦとした場合の特性が得られ、３ｄＢ幅も０．３３ＭＨｚ得られている。この場合、結合容量は通常の基板で製作すれば、２．５ｃｍ角、厚さ１．６ｍｍで実現可能である。この事は電界結合を用いる事により、現在電磁結合を用いているワイヤレス給電機器の小型化は可能である事を示している。この事は非特許文献１の結合容量と前記本願の結合容量を比較すれば小型化の可能性が判る。最近、スマートホンのケース裏面等に強化ガラスを用いられている場合が多い。
図４の従来技術は移動端末機のケースにワイヤレス給電機能を搭載した充電装置は存在しているが、磁気コイルを用いた電磁誘導型のワイヤレス給電装置が主流であり、電力伝送効率を上げるために、損失の少ない大きなコイルが必要となり、又ケースに内蔵を容易にするためには薄型化が必要となり、損失の少ないコイルを開発するのが難しかった。
図５の本発明の電界結合並列共振型電力供給システム用フィルターを使用することにより、前述のように結合容量の低容量化がはかられ、その結合容量を形成する結合電極の小型化が可能となり、さらに結合電極の薄型化は容易に形成できて、水平方向の中心軸のずれも結合容量の変動の許容範囲内ならば電力伝送効率の劣化には影響しないため、使い勝手が良くなる。ワイヤレス電力供給装置として、スマートホン等の移動端末機のケースに小型で安価で使い勝手の良い装置として搭載が可能となる。強化ガラスの誘電率は７．５近傍で、またガラス類の誘電率が添付非特許文献３「物理定数表」に示されている如く、誘電率は「５．０〜１０．０」の間にあるので、容量による電力伝送は十分可能である。本実施例を比較すると、図４が現在実用化されているスマートホンのパッケージで、図５は本実施例を用いた場合で電界結合方式により、小型化、高性能化が可能である事を示している。

従来、並列共振型電力供給用フィルタの構成素子値の事前決定は不可能とされていた。本発明示すように直列３素子型ＢＰＦを用いた構成を基本として、その設計段階において、その構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、結合容量がより小さい値を持つ、充電器として要求されるフィルタ特性が得られ、電力伝送効率が高く、小型化された、並列共振型電力供給システム用フィルタで、更に発生する雑音の少ない電力供給システムを提供することができる。
また、複数の並列共振型電力供給用フィルタを用いて電力供給システムを用いる必要性がある場合、図２の回路構成に示す構成にすると次の近似式が成立するようなシステムは可能である。
１／Ｃｍ１＝１／Ｃ１１＋１／Ｃｍ１１ （８）
即ち、図１の電力伝送システムと図２の電力伝送システム電力伝送量を近似的に等しくすることは可能である。したがって、送信回路及び受信回路を必要とするシステムにおいては、全体のシステムの分解においては、式（８）は有用な関係である。

以上要するに、本発明によれば、並列共振型電力供給システムの事前検討時において、フィルタの回路構成、その素子値及び効率特性が杷握可能で、減衰帯域において、高減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰となり、高効率特性の並列共振型電力供給システム用フィルタを提供できる。

Ｌ１・・・入力側並列インダクタ
Ｃ１・・・入力側並列キャパシタ
Ｌ２・・・出力側並列インダクタ
Ｃ２・・・出力側並列キャパシタ
Ｃ１１・・・結合回路用キャパシタ
Ｃ２２・・・結合回路用キャパシタ
Ｃｍ１１・・・結合回路用キャパシタ
Ｃｍ２２・・・結合回路用キャパシタ
Ｃｍ１・・・合成結合回路用キャパシタ
Ｃｍ２・・・合成結合回路用キャパシタ
Ｃ３１ ・・・結合容量間キャパシタ
Ｃ３２ ・・・結合容量間キャパシタ
Ｃ４ ・・・結合容量間キャパシタ
Ｌ１１ ・・・入力側直列インダクタ
Ｌ１２ ・・・出力側直列インダクタ
Ｌ２１ ・・・入力側直列インダクタ
Ｌ２２ ・・・出力側直列インダクタ

Claims (6)

1. 並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を直列３素子型ＢＰＦ回路の帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量と前記結合容量両端と接地間に容量を設けたπ型回路で、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
2. 請求項１の並列共振型電力システムにおいて、入出力端の並列共振回路において、外部接続用理想変成器を設け、前記理想変成器ｎの値を０．１Ωから２．０の間に設定した事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
3. 請求項２の並列共振型電力システムにおいて、入出力端の並列共振回路において、外部接続用理想変成器を設け、その入出力端の並列共振回路の出力インピーダンスの零値を伝送周波数の２倍以上になる事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
4. 請求項３の並列共振型電力システムにおいて、伝送周波数を２．０ＭＨｚとした場合、３９ｐＦ以下の結合容量を用いた事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
5. 並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を複数のインダクダと容量の直列共振回路と結合容量で構成される帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量と前記結合容量両端と接地間に容量を設けたπ型回路をｎ個の複数個の組の容量組からなり、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
6. 請求項１から請求項５の並列共振型電力システムにおいて、結合容量を含む構成する帯域通過フィルタの容量の一部又は全ての容量をガラス基板の高誘電率材質で形成した容量を用いた事を特徴とする並列共振型電力供給システム。