JP2019534669A - ワイヤレス電力送信システム用の干渉フィルタ - Google Patents

Abstract

ワイヤレス電力送信機のためのＥＭＩシールドが提供される。ＥＭＩシールドは、ワイヤレス電力送信機の送信コイルの上に配置されたときに送信コイルに容量結合して電磁放射を捕捉しながら磁力を通過させるパターン化金属層を含む。いくつかの実施形態では、パターン化金属層は櫛形フィルタであり得る。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、ワイヤレス電力システムに関し、具体的には、エネルギー及び／又は情報の伝送のためにコイルを使用するワイヤレス電力システム、又は他の種類のシステムにおける電気及び／又は電磁干渉の低減に関する。

なお、本出願は、２０１７年１０月２５日に出願された米国特許出願第１５／７９３，７９７号、及び２０１６年１０月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／４１４，５７５号の優先権を主張し、その内容は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

典型的には、ワイヤレス電力システムは、時変磁場を生成するように駆動される送信コイルと、送信コイルに対して相対的に配置されて時変磁場で送信された電力を受信する受信コイルとを含む。

ワイヤレス電力伝送で生じる１つの問題は、電力送信機の動作周波数での電気的及び／又は電磁気的干渉（ＥＭＩ）の発生、並びに送信機の動作のさまざまな高調波及び非高調波アーチファクト周波数からのＥＭＩの発生である。これは、電力供給コイルを介して放射する可能性があるマイクロコントローラなどの他のシステム構成要素からの無関係の周波数を含み得る。

従って、ＥＭＩを低減するシステムを開発する必要がある。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ワイヤレス電力送信機用のＥＭＩシールドは、ワイヤレス電力送信機の送信コイルの上に配置されたときに送信コイルに容量結合して、磁束を通過させながら、
干渉放射を遮断、妨害又は吸収するパターン化金属層（単数又は複数）を含む。いくつかの実施形態では、パターン化金属層（単数又は複数）は、櫛形フィルタとすることができる。

これら及び他の実施形態は、以下の図に関して以下で更に論じられる。

ワイヤレス電力伝送システムを示す。 送信機のプリント回路基板上に配置された送信コイルを示す。 本発明による伝送システムの例示的実施形態を示す。 シールドのいくつかの例示的実施形態を示す。 シールドのいくつかの例示的実施形態を示す。 シールドのいくつかの例示的実施形態を示す。 いくつかの実施形態による例示的な櫛形フィルタシールドを示す図である。 いくつかの実施形態による例示的な櫛形フィルタシールドを示す図である。 いくつかの実施形態による例示的な櫛形フィルタシールドを示す図である。

以下の説明では、本発明のいくつかの実施形態を説明しながら、特定の詳細が説明される。しかしながら、いくつかの実施形態は、これらの具体的な詳細のいくつか又はすべてがなくても実施され得ることは、当業者には明らかであろう。本明細書に開示された特定の実施形態は例示的であり、限定的ではないことを意味する。当業者は、本明細書に具体的に記載されていないが、本開示の範囲及び精神の範囲内にある他の要素を理解することができる。

発明の態様及び実施形態を例示するこの説明及び添付の図面は、限定として解釈されるべきではなく、特許請求の範囲が保護される発明を定義する。この説明及び特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。いくつかの事例では、本発明を曖昧にしないために、よく知られている構造及び技法は詳細に示されていないか又は説明されていない。

一実施形態を参照して詳細に説明された要素及びそれらの関連する態様は、実用的であるときはいつでも、それらが具体的に示され又は説明されていない他の実施形態に含まれ得る。例えば、ある要素がある実施形態を参照して詳細に説明され、別の実施形態を参照しては説明しない場合、それにもかかわらず、その要素は当該別の実施形態に含まれると主張することができる。

図面は例示にすぎず、図面中の要素の相対的な大きさは意味を持たない。例えば、図２では、受信コイル１０８は送信コイル１０６よりも小さいものとして示されているが、受信コイル１０８は送信コイル１０６と同じ寸法でもよく、又は特定のシステムに応じ、より小さく又はより大きくてもよい。

図１は、電力をワイヤレスで伝送するためのシステム１００を示す。図１に示すように、ワイヤレス電力送信機１０２はコイル１０６を駆動して磁界を発生させる。電源１０４はワイヤレス電力送信機１０２に電力を供給する。電源１０４は、例えば、電池ベースの電源とすることができ、、又は、例えば６０Ｈｚ・１２０Ｖの交流によって電力を供給することができる。ワイヤレス電力送信機１０２は、通常はワイヤレス電力規格のうちの１つに従って、ある範囲の周波数でコイル１０６を駆動する。しかしながら、本発明の実施形態は、存在し得るいかなる規格に拘わらず、磁気コイルによって電力及び／又は情報を伝達することが実用的であるいかなるシステムにも適用可能である。

ワイヤレス電力伝送のための規格は複数あり、例えばAlliance for Wireless Power（A4WP）規格やWireless Power Consortium規格、Ｑｉ規格などがある。例えば、A4WP規格の下では、最大で５０ワットの電力を、約６．７８ＭＨｚの電力伝送周波数で、コイル１０６の近傍にある複数の充電装置に誘導的に伝送することができる。ワイヤレス電力コンソーシアム、Ｑｉ仕様の下では、共振誘導結合システムは、デバイスの共振周波数で単一のデバイスを充電するために利用される。Ｑｉ規格では、コイル１０８はコイル１０６に極めて接近して配置されているが、Ａ４ＷＰ規格では、コイル１０８は他の充電装置に属する他のコイルと共にコイル１０６の近くに配置されている。図１は、これらの規格のいずれかの下で動作する一般化されたワイヤレス電力システム１００を示している。

図１に更に示されるように、コイル１０６によって生成された磁界は、コイル１０８内に電流を誘導し、その結果として電力が受信機１１０において受信される。受信機１１０は、コイル１０８から電力を受信し、充電器及び／又はモバイル機器の他の構成要素であり得る負荷１１２に電力を供給する。受信機１１０は通常、受信した交流電力を負荷１１２用の直流電力に変換するための整流部を含む。

いくつかの実施形態では、動作周波数上限に達し、デューティサイクル電力制限方法が採用されているときのワイヤレス電力送信中に、伝導放出及び放射放出が観察されている。伝導放出の主な原因は、ＴＸコイル及び電力受信装置の表面上のコモンモード電圧変化であり、これらは寄生容量の対向する電極を形成することが分かった。充電装置の地表に対する固有静電容量は、Ｔｘコイルから充電装置へ、アース（地球）へ容量結合する電流（時間的に変化する電界E-Fields）を生じさせる電流経路を形成する。この電流は、ＥＭＩ測定ユニットによって検出することができる。

本発明の実施形態は、ＥＭＩを低減するために電力供給コイル上にシールド、例えばパターン化金属シールドを形成する。具体的には、シールドは、電力及び／又は電磁放射を最大限に減衰させながら、電力送信磁界への影響を最小化するトポロジー技術を使用する。主要な概念は、第一に、磁場の伝播が電磁場の伝播とは全く異なるということを利用している。更にこの概念は、磁場の波長が、場合によっては、ＥＭＩの減少が考えられる電磁波の波長より実質的に長いという事実を利用することができる。その結果、実質的に全ての磁場を通過させながら、送信コイルと導電性材料との間に容量結合された電界を送信機アースに向けるよう、導電性材料をパターニングすることによってシールドを形成することができる。場合によっては、パターニングは装飾的又はデザイン的要素を含むことができる。いずれの場合にも、パターニングは、送信コイルと導電性材料との間の電界の容量結合を可能にする。

図２は、パッド２１０に取り付けられた送信コイル１０６の一例を示す。いくつかの実施形態において、送信コイル１０６は、図２には示されていないプリント回路基板（ＰＣＢ）上に取り付けられている。図２は更に、送信コイル１０６に近接している受信装置１１０に取り付けられた受信コイル１０８を示す。上述のように、本発明の実施形態は、送信コイル１０６と受信装置１１０との間の電磁場の容量結合を低減又は実質的になくし、それによってＥＭＩを低減しながら、送信コイル１０６と受信コイル１０８との間のワイヤレス電力の磁気送信を実質的に妨害しない。

図３は、本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス送信機を示す。図３に示すように、送信コイル１０６はパッド２１０内に埋め込まれている。いくつかの実施形態では、送信コイル１０６はプリント回路基板（ＰＣＢ）３０２に取り付けることができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、ＥＭＩシールド３０４は送信コイル１０６上に取り付けられ、場合によってはＰＣＴ３０２上の絶縁層又はスペーサ層３０６によって送信コイル１０６から分離されてもよい。いくつかの実施形態において、ＥＭＩシールド３０４は、図３に示されるように、ワイヤレス電力送信機１０２の接地に結合され得る。いくつかの実施形態では、ＥＭＩシールド３０４は、磁気ワイヤレス電力伝送に対して透過的である一方で、ＥＭＩを引き起こす電磁放射を遮断する複数のパターン化金属層を含み得る。

図４Ａは、ＥＭＩシールド３０４の平面図を示す。図４Ａに示す実施形態では、ＥＭＩシールド３０４は、ホールパターン４０４を有する金属シート４０２である。金属シート４０２は、それが送信コイル１０６からの電磁エネルギーに対する固体又はほぼ固体のバリアとして見えるようにパターン化することができるが、電力を奪う誘導ループ電流（例えば渦電流）が無視できるほど小さくなるように構成される。最も単純には、図４Ａに示されるような二次元実装において、金属ホールパターン４０４は、金属シート４０２内の金属の領域間に小さな間隙を提供し、渦電流を最小にする。効果的であり得る様々なパターンは無限であるが、磁気的に送信されたワイヤレス電力を実質的に妨害しない一方で、容量結合された電磁エネルギーを遮断することにおいてより効果的である好適なパターンがあり得る。いくつかの実施形態では、パターン形成は、部分的には、遮蔽機能を果たしながら装飾的であり得る。

図４Ｂは、ＥＭＩ遮蔽に対する全く異なる位相的アプローチを有するＥＭＩシールド３０４の他の実施形態を示す。図４Ｂに示す例では、連続した金属グリッドが、交差した水平方向ワイヤ４０８と垂直方向ワイヤ４０６によって形成されている。誘導相互作用は、水平方向と垂直方向のグリッド間隔と金属線幅を管理することによって最小限に抑えることができる。この新規の方法は、位相的に完全に異なる。非常に具体的には、完全な金属層によって形成された電流ループが回避されるからである。しかしながら、誘導結合電流は、格子隔を囲むワイヤ内に形成され得る。

図４Ｃは、別の実施形態を示す。端部が高周波コンデンサ４１０によって結合された、非常に細いワイヤ４１２の延伸長のため、有益で、及び／又は費用対効果が高い。そのような構成は、誘導相互作用をほぼ排除し、一方でコンデンサ４１０は、ワイヤの端部を接合し及び／又は隣接するワイヤを接合する結合を提供する。

いくつかの実施形態では、２層以上のＥＭＩシールド３０４を重ね合わせ、重ね合わされた組み合わせが電磁波を更に遮断するようにすることができる。ＥＭＩシールドは、重ね合わせられたＥＭＩシールド３０４間の容量結合によって強化することができる。しかしながら、層間のそのような容量結合は、送信コイルの動作周波数の範囲においては影響が小さい可能性があり、磁気誘導結合による相互作用に関してさらなる問題をもたらす可能性がある。

ＥＭＩシールド３０４は基板上に形成することができる。いくつかの実施形態では、ＥＭＩシールド３０４を形成するために利用される層は、ＰＣＢなどの基板上に形成された物理ワイヤ又はＰＣＢトレースの代わりに、プラスチックフィルムなどの基板上に堆積された薄膜金属材料で形成され得る。そのような技術は、蒸着、導電性インクのシルクスクリーン印刷などのような非常に低コストの方法を含み得る。これらの材料及びそれらの用途（パターン、厚さなど）は、誘導相互作用を最小限に抑えることとの関連において、電磁制御の利点を更に高めるように選択することができる。このようにして形成された電気及び／又は電磁シールド３０４は、片面、両面、及び／又は複数層であり得る。

パターニングにおいてコスト／価値を更に高めることができ、それは望ましい審美的デザイン要素やロゴなどを含むことができる。そして、様々な適用技術を用いて、パターンを既存の表面（例えばパッド２１０の表面）に直接適用することができ、それによってプラスチックフィルム又は同様の材料を使用することに関連するコストを回避することができる。あるいは、図３に示すように、プラスチックフィルムを印刷し、送信コイル１０６上にパッド２１０に埋め込むことができる。いくつかの実施形態では、そのような電気及び／又は電磁シールド３０４は、印刷され又は堆積された材料であって、シート材料ではない材料の、非導電性又はそれより導電性の低い層によって分離された複数の導電層を含むことができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、ＥＭＩシールド３０４の別の実施形態を示す。ＥＭＩシールド３０４は、上述したようにＰＣＢなどの基板上に形成することができ、プラスチックシート上にインプリントすることができ、又はいくつかの実施形態ではパッド２１０上に直接形成することができる。図５Ａ及び５Ｂは、ＥＭＩシールド３０４が櫛形ＥＭＩフィルタであるいくつかの実施形態を示す。送信コイル１０６と受信装置１１０の受信コイル１０８との間に電界コレクタ（櫛形ＥＭＩフィルタ）を追加することによって、送信コイル１０６と受信装置１１０との間の容量結合は妨害され、送信コイル１０６と櫛形フィルタＥＭＩシールド３０４との間の容量結合に変化する。

図５Ａに示すように、ＥＭＩシールド３０４は、片側が接地ストラップ５０４で接地された複数の開放端線５０２を含む。接地ストラップ５０４は、すべての開放端線路５０２の一方の側を接地に結合することができ、特に送信機１０２の接地に結合することができる。

図５Ｂは、第２実施形態を示し、絶縁又は導電性の低い材料５０６によって開放端線５０２から分離された、開放端線５０８を更に含む。図５Ｂに示すように、開放端線５０２は、開放端線５０８と重ならないように配置され、連続シートのＥＭＩシールドを提供し、誘導電流ループが形成されることがないようにしている。接地ストラップ５０４は、開放端線５０２と開放端線５０８の両方の一端を接地するように構成されている。図５Ｃは、図５Ｂに示す実施形態の一例を示す図である。

開放端線路５０２、又は開放端線５０２及び５０８の両方の一端を送信機アースに結合することは、アースを介した電流、従ってＥＭＩ測定ユニットを通る電流の流れを抑止する。ＥＭＩシールド３０４の櫛形フィルタは０Ｖの電位に保持され、経時的に変化しない。このため、送信コイル１０６の上に直接配置されたＥＭＩシールド３０４を含む受信機１１０への送信機１０２の容量結合から生成される時変電界は存在しない。そして、依然として電界中に存在する全ての電流は、ＥＭＩシールド３０４の櫛形フィルタによって「捕捉」され、局地的な送信機アースに戻され、従ってＥＭＩ試験装置を通って流れない。伝導放射（ＣＥ）は大幅に減少することになる。磁束との相互作用は、循環渦電流を可能にするループがなくなるため、最小化される。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示すようないくつかの実施形態では、開放端トレース５０２及び５０８は、３ｍｍ未満の幅の細いトレースで形成することができる。加えて、図５Ｂに示されるように、開放端トレース５０２は、重なり合いがあり送信コイル１０６の上の空間全体が金属であるように配置され、一方、開放端トレース５０２及び５０８は実質的に互いに重ならない。

上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を例示するために提供されており、限定することを意図していない。本発明の範囲内で様々な変形及び改変が可能である。本発明は特許請求の範囲に記載されている。

Claims (19)

1. ワイヤレス電力送信機用のＥＭＩシールドであって、
   前記ワイヤレス電力送信機の送信コイル上に配置されたときに、磁力を通過させながら前記送信コイルに容量結合して電磁放射を捕捉するシールド層を備える、ＥＭＩシールド。
2. 前記シールド層は、接地されているパターン化金属層である、請求項１に記載のＥＭＩシールド。
3. 前記パターン化金属層は、重なり合うワイヤのグリッドである、請求項２に記載のＥＭＩシールド。
4. 前記パターン化金属層は、基板上に配置されたワイヤトレースを含み、前記ワイヤトレースの端部はコンデンサによって結合されている、請求項２に記載のＥＭＩシールド。
5. 前記パターン化金属層が櫛形フィルタを含む、請求項２に記載のＥＭＩシールド。
6. 前記櫛形フィルタが、複数の第１の開放端トレースと、前記第１の開放端トレースの一端を接地するように構成された接地ストラップとを含む、請求項５に記載のＥＭＩシールド。
7. 前記複数の第１の開放端トレースと重ならないように分離された複数の第２の開放端トレースを更に含み、前記接地ストラップは前記第２の開放端トレースのうちの１つを接地するように構成される、請求項６に記載のＥＭＩシールド。
8. 前記パターン化金属層は、前記磁力によって形成された渦電流を支持しないように配置されたホールパターンを含む、請求項２に記載のＥＭＩシールド。
9. 前記ホールパターンは装飾的パターンを形成する、請求項８に記載のＥＭＩシールド。
10. 前記シールド層は、基板上に形成された導電材料を含む、請求項１に記載のＥＭＩシールド。
11. 前記基板がプリント回路基板である、請求項１０に記載のＥＭＩシールド。
12. 前記基板がプラスチックシートであり、前記シールド層が前記プラスチックシート上に堆積されている、請求項１０に記載のＥＭＩシールド。
13. ワイヤレス電力送信機用のシールドを提供する方法であって、
    前記ワイヤレス電力コイルに容量結合するパターン化導体で
    ワイヤレス電力コイルを、前記ワイヤレス電力コイルに容量結合するパターン化導体で覆う一方で、前記ワイヤレス電力コイルからの磁力を通過させ、
    前記パターン化導体を接地する
    ことを特徴とする方法。
14. 前記パターン化導体が、基板上に配置されたワイヤトレースを含み、該ワイヤトレースの端部がコンデンサによって結合されている、請求項１３に記載の方法。
15. 前記パターン化導体は、接地櫛型フィルタを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記パターン化導体が、前記ワイヤレス電力コイルの前記磁力の出力によって渦電流が形成されないように位置決めされたホールパターンを有する導電性シートを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記パターン化導体が基板上に形成される、請求項１３に記載の方法。
18. 前記基板がプリント回路基板である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記基板がプラスチックシートである、請求項１７に記載の方法。