JP2013165558A - 電界結合型電力供給システム用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率が高く、更に発生する雑音の少ない電界結合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】２つの入力端子と２つの出力端子を有する昇圧回路と２つの入力端子と２つの出力端子を有する降圧回路との間に上記昇圧回路の出力端子に接続される２つの入力端子と上記降圧回路の入力端子に接続される２つの出力端子を有するインピーダンス回路を設けた電界結合型電力供給システム用フィルタであって、 上記インピーダンス回路は入力端子とこれに対応する出力端子間にはそれぞれ第１の容量Ｃ１と第４の容量Ｃ４を設け、入力端子間と出力端子間にはそれぞれ第２の容量Ｃ２と第３の容量Ｃ３を設けたことを特徴とする電界結合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。

電界結合型電力供給システム用フィルタは、特許文献１、特表２００９−５３１００９号、公報に開示されている。
図１０にその基本構成を示す。また、図１０の電界結合用フィルタのＬＣ等価回路は、本発明の背景技術から図１１に示すように表現される。

このフィルタは、高圧高周波発生源（発振器）１、送信側電極またはアース２、発生電極３、電極４、高圧高周波電荷（負荷）５、結合電極６、受電側電極またはアース７で構成され、負荷に対して電力供給をおこなう構成である。

この構成は、非特許文献１に示されている如く、電界を通じて電力を送電側から受電側に移すと言うのが知られている。即ち、図１０において、送電側電極２をアースとして、高圧高周波発生源１、発生電極３、結合電極６、高圧高周波電荷（負荷）５に電力が供給され、高圧高周波電荷（負荷）５に供給される電力は送信側電極またはアース２及び受電側電極またはアース７は接続されて、したがって、送信側電極またはアース２乃至受電側電極またはアース７は接地電位相当である事が必要である。

特表２００９−５３１００９号公報 特開２００９−００８９５２０号公報

「電界結合のワイアレス給電薄い電極で携帯機器に対応」、NIKKEI ELECTRONICS,2011.7.28, pp87-pp94 「結合共振器形無線電力伝送システムの解析と設計」、電子情報通信学会誌、2012.01．Vol.NO1pp.38-42,

しかしながら、電界結合型電力供給システム用フィルタは、フィルタの小型化に際し、薄板多層基板を用いる場合、２端子対回路であるので、1端は電力が伝送されるが、他端は接地電位である事が必要であるが、他端の接地電位が得られないための特性劣化が生じ、雑音特性が生ずる。

そこで本発明の２端子対回路の昇圧回路、２端子対回路の４個のインピーダンスからなる回路及び２端子対回路の降圧回路を縦続構成の電界結合型電力供給システム用フィルタにおいては、電力伝送効率が高く、更に電力供給システム用フィルタから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を目的として研究した。

その結果、２つの入力端子と２つの出力端子を有する昇圧回路と２つの入力端子と２つの出力端子を有する降圧回路との間に上記昇圧回路の出力端子に接続される２つの入力端子と上記降圧回路の入力端子に接続される２つの出力端子を有するインピーダンス回路を設けた電界結合型電力供給システム用フィルタであって、 上記インピーダンス回路は入力端子とこれに対応する出力端子間にはそれぞれ第１の容量と第４の容量を設け、入力端子間と出力端子間にはそれぞれ第２の容量と第３の容量を設けたことを特徴とする電界結合型電力供給システム用フィルタを提案するものである。

即ち、本発明においてはインピーダンス回路が複数の結合容量から構成されているため、電力伝送効率が高い、更に電力供給システム用フィルタから発生する雑音の少ないものとなる。

特に、第２、第３の容量を設けることにより、減衰帯域において高減衰特性が得られ、電界結合型電力供給システム用フィルタとしては雑音特性が改善される。

また、第１の容量乃至第４の容量の何れか一方をインダクタに変えことにより、特に減衰帯域の減衰量特性が高減衰特性になり、フィルタとして更に高性能なものになる。

更に、第１の容量乃至第４の容量の何れか一方と、第２の容量と第３の容量をインダクタに変えることにより、減衰帯域において、急峻な減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰となり、有用なフィルタとなる。

また、昇圧回路が入力側に直列にインダクタを、出力側に並列にインダクタを設けた変成器で構成することにより、減衰帯域において、急峻な減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰であり、有用な回路となる。

即ち、本発明においては減衰帯域において、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、電界結合型電力供給システム用有用なフィルタが得られる。

本発明における電界結合型電力供給システム用フィルタの等価ＬＣ回路 本発明のシミュレーションに使用した回路の基本等価ＬＣ回路 本発明におけるフィルタの他の態様を示す等価ＬＣ回路 本発明におけるフィルタの更に他の態様を示す等価ＬＣ回路 本発明におけるフィルタの更に他の態様を示す等価ＬＣ回路 請求項１と図１１の回路における減衰特性の比較を示す図 請求項２の回路の減衰特性を示す図 請求項３の回路の減衰特性を示す図 請求項４の回路の減衰特性を示す図 従来の電界結合型電力供給フィルタの構成図 図１０の等価ＬＣ回路

２つの入力端子と２つの出力端子を有する昇圧回路と２つの入力端子と２つの出力端子を有する降圧回路との間に上記昇圧回路の出力端子に接続される２つの入力端子と上記降圧回路の入力端子に接続される２つの出力端子を有するインピーダンス回路を設けた電界結合型電力供給システム用フィルタであって、 上記インピーダンス回路は入力端子とこれに対応する出力端子間にはそれぞれ第１の容量と第４の容量を設け、入力端子間と出力端子間にはそれぞれ第２の容量と第３の容量を設けたことを特徴とする電界結合型電力供給システム用フィルタ。

（１）本発明のシミュレーション
まず、本発明の基礎となるシミュレーションは図２に示す２端子対回路の昇圧回路、２端子対回路の４個のインピーダンスからなる回路及び２端子対回路の降圧回路を縦続接続構成の電界結合型電力供給システム用フィルタとして評価する。

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行列は式（１）で与えられ、そのＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄの四端子定数は下記（２）式に示される。

また、図２の４端子対インピーダンス回路のF行列の各要素を式（３）で与えられる。

図２に示す電界結合型電力供給システム用フィルタの伝送特性は式（４）で与えられる。

ここで、A1、B1、C1、D1は昇圧回路のFマトリクス、A２、B２、C２、D２は４個のインピーダンスからなるインピーダンス回路のFマトリクス、A３、B３、C３、D３は降圧回路のFマトリクスである。したがって、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、駆動抵抗をD(Ω)及び終端抗をRL(Ω)の場合、式（４）の各要素A、B、C、Dから式（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。

S＝A＋C＊RD＋（B＋D＊RD）/RL
(５)

式（５）で得られる特性は伝送特性の評価であるが、電力特性は伝送特性同様に信号伝送路の特性であるので、電力特性についても式（５）による評価が適用できるものとし、本発明では伝送特性の式（５）を用いて、電力伝送を評価した。

また、非特許文献２によれば、電力伝送においては、力率条件、整合条件、フィルタの条件の検討が必要であるとされているが、ここでは、フィルタ条件のみを検討した。

（２）シミュレーション結果
まず、請求項１の図１の回路構成と図１１の従来の回路構成のシミュレーション特性比較をする。図１の回路構成では、容量が３個増加しているが、そのシミュレーション特性を図６（１）で示す。図６（１）で示すシミュレーション特性が請求項１の回路構成のシミュレーションで、図６（２）は、図１０のLC等価回路の図１１を用いたシミュレーション特性である。

図６の両特性からわかるように、請求項１の回路構成特性と図１１の従来の回路構成の特性相違は、通過帯域の特性は、略同じと見られるが、通過帯域の高域側減衰帯域の特性が、図１１の従来の回路構成に比較して大幅に改善されていることがわかる。通過帯域の低域側減衰帯域も大幅に改善されているが高域側減衰帯域が大幅に改善している。

この理由は、図１に示す回路において、C2、C3を設けた事である。C2、C3が低域通過フィルタの特性を示しており、特に減衰帯域において高減衰特性が得られ、電界結合型電力供給システム用フィルタとしては通過伝送帯域外の雑音特性が改善される。

請求項２記載の電界結合型電力供給システム用フィルタは、図３に示すように、容量Ｃ４をインダクタＬ４に置き換えたもので、これにより減衰帯域の減衰特性を高減衰特性にして、高圧高周波発生電極により生じる雑音特性の発生を防ぐことができる。

即ち、昇圧回路の他端と降圧回路に他端は接地電位である事が必要であるが、実際は容量性等の寄生インピーダンスの場合が多いと想定される。ここではこの寄生インピーダンスを接地電位であるにする事目的としてインダクタを設けたものであり、このミュレーション特性は、図７に示す如く、特に減衰帯域の減衰量特性が高減衰特性になる。

請求項３記載の電界結合型電力供給システム用フィルタは、図４の回路構成に示す如く、図１の４個の容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のうちＣ１を残して他の容量をインダクタに置き換えたものである。

このシミュレーション特性を図８に示す。この電界結合型電力供給システム用フィルタの特性は、減衰帯域において、急峻な減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰である。電界結合型電力供給システム用フィルタは電力を伝送するので、多くの寄生インピーダンスが存在するので、有用な回路となる。

請求項４記載の電界結合型電力供給システム用フィルタは、図５の回路構成に示す如く、図１の回路構成における昇圧回路を、入力に直接インダクタ及び出力に並列にインダクタを設けた変成器により構成してある。

請求項４の特性は図９に示されており、この特性は請求項１の特性と略同じあり、有用なフィルタとなる。

以上本発明の適用例とした、実施例として、請求項１から請求項４を示したが、図２から判るように、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４は、必ずしもＬまたはＣだけではなく複数の場合もある。

以上要するに、本発明によれば減衰帯域において、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、電界結合型電力供給システム用有用なフィルタを提供できる。

１は高圧高周波発生源（発振器）
２は送信側電極またはアース
３は発生電極
４は電極
５は高圧高周波電荷（負荷）
６は結合電極
７は受電側電極またはアース

Claims (4)

1. ２つの入力端子と２つの出力端子を有する昇圧回路と２つの入力端子と２つの出力端子を有する降圧回路との間に上記昇圧回路の出力端子に接続される２つの入力端子と上記降圧回路の入力端子に接続される２つの出力端子を有するインピーダンス回路を設けた電界結合型電力供給システム用フィルタであって、
   上記インピーダンス回路は入力端子とこれに対応する出力端子間にはそれぞれ第１の容量と第４の容量を設け、入力端子間と出力端子間にはそれぞれ第２の容量と第３の容量を設けたことを特徴とする電界結合型電力供給システム用フィルタ。
2. 第１の容量乃至第４の容量の何れか一方をインダクタに変えた請求項１記載の電界結合型電力供給システム用フィルタ。
3. 第１の容量乃至第４の容量の何れか一方と、第２の容量と第３の容量をインダクタに変えた請求項１記載の電界結合型電力供給システム用フィルタ。
4. 昇圧回路が入力側に直列にインダクタを、出力側に並列にインダクタを設けた変成器で構成した請求項１の電界結合型電力供給システム用フィルタ。