JP2023153958A

JP2023153958A - 電力伝送システムおよび制御方法

Info

Publication number: JP2023153958A
Application number: JP2023127996A
Authority: JP
Inventors: 寛人玉木; Hiroto Tamaki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2023-08-04
Publication date: 2023-10-18
Also published as: JP7329955B2; US20200336012A1; US11239700B2; JP2020178456A

Abstract

【課題】環形状の多層基板とコイルを用いた無線電力伝送の効率低下を抑制する。【解決手段】電力伝送システムは、それぞれの中心軸方向が略一致するように重ねて配置された環形状の第一の基板、第一のコイル、第二のコイル、および環形状の第二の基板と、第一の基板に実装された送電回路であって、第一のコイルに電圧を印加する送電回路と、第二の基板に実装された受電回路であって、電磁誘導と磁界共鳴との少なくとも何れかにより第二のコイルに発生した電流を整流する受電回路とを有し、第二の基板はグランドパターンと電源パターンを含む多層基板であり、グランドパターン及び電源パターンは渦電流の発生が抑制できるよう、環形状の一部が存在しない。【選択図】図４

Description

本発明は、機器への電力を非接触で供給する電力伝送システムおよび制御方法に関する。

ロボットハンド部やネットワークカメラ等の旋回可動部を有する機器の旋回部には、電力および画像データや制御用信号などを伝送するハーネスが実装されている。しかし、旋回による摩耗が生じることや、同方向に無限に自由旋回ができないといった機能的な制約が生じることなどの課題がある。そこで近年、旋回部において無線で電力およびデータを伝送する要求が高まっている。

特許文献１では、通信用アンテナと非接触電力伝送コイルを備えるアンテナモジュールの構成が提案されており、このような２つのアンテナモジュール間において、無線で電力およびデータの伝送を行うことが開示されている。このような非接触電力伝送システムでは、送電側に配置された送電コイルからの電磁誘導エネルギーが、受電側に配置された受電コイルで電気エネルギーに変換され、当該電気エネルギーにより機器回路が駆動される。ここで、送電側と受電側ではそれぞれ、送電コイルと受電コイルに接続される様々な回路が必要とされる。装置の小型化を実現するためには、これらの回路を多層基板に実装し、送電コイルと受電コイルの近くに配置することが考えられる。送電コイルにスイッチング電流を流すと、磁界が発生し、受電コイルでその磁界を電気エネルギーに変換する。しかし、送電コイルおよび受電コイルの近くに多層基板を配置した場合、多層基板の全面グランドパターンを有する内層と電源パターンを有する内層にも送電コイルからの磁界が伝わり、渦電流が発生し得る。その結果、受電コイルの出力が大きく低下してしまうという問題点を有していた。

この問題を解決するために、特許文献２には、第１、第２の部品実装層と、木の枝形状のグランドパターン層と、木の枝形状の電源パターン層とを有する多層基板を備えた非接触電力伝送システムが提案されている。このような多層基板の構成により、渦電流の発生が減少し、それにより受電コイルの出力低下を抑制することが可能となる。なお、本実施形態では２以上の層を有する基板のことを多層基板と表記する。

特開２０１４－９６６１２号公報特許第３８１５０７９号公報

上述のような旋回部に対して無線で電力を伝送するために、特許文献２に記載の非接触電力伝送システムを適用する場合を考える。この場合、中心軸に回転動力を伝えるためのシャフト等を通すには、当該文献に記載の多層基板を環状（中空構造）で構成することが考えられるが、このような構成により、出力低下を抑制する効果が小さくなり得るという課題が生じる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、環形状の多層基板とコイルを用いた無線電力伝送の効率低下を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するための一手段として、本発明の電力伝送システムは以下の構成を有する。すなわち、それぞれの中心軸方向が略一致するように重ねて配置された環形状の第一の基板、第一のコイル、第二のコイル、および環形状の第二の基板と、前記第一の基板に実装された送電回路であって、前記第一のコイルに電圧を印加する送電回路と、前記第二の基板に実装された受電回路であって、電磁誘導と磁界共鳴との少なくとも何れかにより前記第二のコイルに発生した電流を整流する受電回路とを有し、前記第二の基板はグランドパターンと電源パターンを含む多層基板であり、前記グランドパターン及び前記電源パターンは渦電流の発生が抑制できるよう、環形状の一部が存在しない。

本発明によれば、環形状の多層基板とコイルを用いた無線電力伝送の効率低下を抑制することができる。

第一の実施形態における電力伝送システムの概略構成を示す図。第一の実施形態における電力伝送システムのプリント基板の構成を示す図。第一の実施形態における電力伝送システムに対する伝送効率のシミュレーション結果を示す図。第二の実施形態における電力伝送システムの概略図。第二の実施形態における電力伝送システムの原理を説明するための図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

［第一の実施形態］
図１に、第一の実施形態における非接触電力伝送システム１００（以下、電力伝送システム）の概略構成を示す。電力伝送システム１００は、電力を非接触（無線）で伝送するための部分と、画像信号や制御信号などを無線で伝送するための部分から構成される。電力伝送システム１００は、送電側１１０と受電側１２０で構成され、送電側１１０には、送電回路１２と送電コイル１０が配置され、受電側１２０には、受電コイル２０、受電回路２２、負荷２４が配置され、送電側１１０から受電側１２０へ送電される。

図１には、画像信号や制御信号などを無線で伝送するための部分は図示しないが、例えば、送電側１１０において、送信回路と送信用カプラ、受電側１２０において、受信カプラと受信回路、および、各送受信回路とカプラを接続するための伝送線路などが構成される。ここで、送電側１１０に送信回路が配置（搭載）され、受電側１２０に受信回路が配置され得るが、その配置を逆にすることも可能である。また、送電側１１０と受電側１２０の両方に、送信回路と受信回路を配置して、半二重や全二重通信を行うことも可能である。このように、信号伝送のための構成は特定の構成に限定されない。また、信号伝送に対する伝送媒体や通信方式は特定のものに限定されず、電界や磁界、または電磁界結合や光通信などが用いられ得る。例えば、送信回路で差動データ信号を生成し、送信カプラに給電し、送信カプラと主に電界結合状態の受電カプラにて差動信号を受電し、コンパレータ等によりデジタル信号に変換する方法などが用いられてもよい。

更に、送電側１１０は、送電回路１２や送信回路などの電子部品の実装や配線のための環形状のプリント基板１１を有する。また、受電側１２０は、受電回路２２や受信回路などを実装、配線するための環形状のプリント基板２１を有する。送信カプラと送電コイル１０の配置は回転部の適用を想定しているため、同心円状に構成されることが望ましく、送信カプラと送電コイル１０の配置は、送信カプラを外側、送電アンテナを内側にしても良いし、その逆でも構わない。

送信カプラと送電コイル１０は同一基板上に構成されていても良く、それぞれ別の基板上やリッツ線などの線材で構成されていても構わない。受信カプラ、受電コイル２０の配置や構造も同様である。また、プリント基板は一般的なＦＲ４基板やセラミック、フッ素等を用いた低誘電部材の基板でも良く、特に限定されない。

送電回路１２と送電コイル１０はそれぞれ、電磁誘導や磁界共鳴方式を採用した際に用いられる公知の送電回路と送電コイルにより構成される。不図示の外部電源から供給される直流電圧は、インバータ回路を用いて搬送に適した周波数（以後、搬送波周波数）へ変換され、スイッチ部を介して送電コイル１０へ出力される。つまり、送電側１１０では、送電回路１２にて直流から交流へ変換され、送電コイル１０にて交流磁界が生成される。同様に、受電回路２２と受電コイル２０は、電磁誘導や磁界共鳴方式を採用した際に用いられる公知の受電回路と受電コイルにより構成される。具体的には、受電コイル２０により受電された交流磁界は、整流回路にて直流へ変換され、電圧変換回路にて負荷２４および受信回路が所望する電圧へ変換され、負荷と受信回路へ直流電力が供給される。

ここで、産業用ロボットやネットワークカメラの旋回可動部に上記の電力伝送システムを適用する場合を考える。この場合、送電回路１２や送信回路などを実装・配線するためのプリント基板１１と送信カプラと送電コイル１０は、実装スペースの制約上、近接して配置されることがある。また、受電側１２０も同様である。送電コイル１０と受電コイル２０を近接させた状態で、プリント基板１１に実装された送電回路１２から送電コイル１０にスイッチング電流を流すと、送電コイル１０の中心部から周辺に交流磁界が発生する。その交流磁界が受電コイル２０と鎖交することにより電気エネルギーに変換され、その出力をプリント基板２１内の受電回路２２にて整流し、負荷２４に電源を供給可能となる。

しかし、送電コイル１０、受電コイル２０、プリント基板１１、プリント基板２１を近接に配置すると、交流磁界は同時に受電コイル２０の上部に配置されたプリント基板２１とも鎖交することになり、プリント基板２１内の銅箔パターンに電流が誘起される。特に、従来の全面電源パターンは送電コイル１０が発生した交流磁界と大きな面積で鎖交することになり、全面電源パターンに大きな渦電流が発生し、電力ロスが発生すると共に回路のノイズや誤動作の原因となる。

そこで、本実施形態におけるプリント基板１１及び２１は、４層基板を例とし、以下のように構成される。すなわち、送電回路１２や受電回路２２、送信回路や受信回路等のＩＣ（Integrated Circuit）やチップ部品などの電気部品とその配線を有する表面及び裏面の表層と、ＩＣ等に基準電位を与えるグランド（ＧＮＤ）パターン（アースパターン）を有する第１の内層と、ＩＣ等に電源を供給するための電源パターンを有する第２の内層が形成され、プリント基板１１及び２１を上面から投影した（面に垂直な方向から見た）場合に、銅箔パターンが存在しないスリット部が設けられる（例えば図１のスリット部１３、２３）。

送電コイル１０から発生した交流磁界は受電コイル２０を通過し、スリット部が設けられた電源パターンやグランドパターンと鎖交する。本実施形態に従うプリント基板１１及び２１の構成によれば、プリント基板１１及び２１の電源パターンやグランドパターンは、スリット部により環状型からＣ字型に分断されるため交流磁界が鎖交するループ面積を小さくすることができる。例えば、プリント基板１１、送電コイル１０、受電コイル２０、プリント基板２２が近接して平行に配置された場合、ループ面積Ｓは、簡易的にプリント基板２１の外形の面積から内形の円の面積を減算した値となる。一方、スリット部を設けない場合は、プリント基板２１の外形の面積がループ面積となる。そのため、発生する渦電流もループ面積に比例して抑制することが可能となる。更に、渦電流の電力ロスは電流の２乗に比例するので、電源パターンやグランドパターンに発生する渦電流ロスは大きく低減される。渦電流を極力減らすには、電源パターンの幅をできる限り狭くし、スリット幅を広くするのが良いが、部品実装や配線が可能なエリアが減少してしまうので、スリット部の一端と他端がスイッチング周波数に対して十分インピーダンスが高くなる間隙、例えば、１．６ｍｍ厚の基板では、０．４ｍｍ～２ｍｍ程度あれば良い。なお、スリット部に銅箔パターンが存在しなければ、渦電流を低減する効果が得られる。したがって、プリント基板の形状は図１に示すようなＣ字型であっても良いし、円板状や切れ目を有しない輪形状であってもよい。

図２に、本実施形態における電力伝送システム１００のプリント基板１１、２１の構成（上面、側断面、下面図）を示す。図２（ａ）は、４層の同じ位置に（プリント基板の上面から（プリント基板平面に向かって垂直方向に）投影した場合に重なるように）スリット部が設けられたプリント基板の構成を示す。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したプリント基板の構成の変形例であり、４層の間で一部の層とその他の層において異なる位置に（プリント基板の上面から投影した場合に重ならないように）スリット部が設けられたプリント基板の構成を示す。具体的には、プリント基板の上面から投影して見た時に第４層に設けられたスリット部のみが、他の層に設けられたスリット部とずれている（第４層がずれている）。このような構成のスリット部では、各層のスリット位置が同じ場合に比べて、第４層に設けられたスリット部のインピーダンスが、第３層の電源パターンまたはグランドパターンとの寄生容量等により小さくなってしまう。しかしながら、スリット部の一端と他端が、スイッチング周波数に対して、グランドパターンと電源パターンにおいて渦電流の発生が抑制されるような高いインピーダンスを保持できていれば、受電コイルの出力低下を抑制する効果を生じる。また、図２（ｂ）は、第４層がずれた例であるが、特に第４層に限定されることは無く、スイッチング周波数に対してインピーダンスが十分高ければ、各層が基板上面から投影してみた時にそれぞれ異なる位置にスリット部を有していても良い。

第一の実施形態の効果を示すために、３次元電磁界シミュレーションにより電力の伝送効率の特性を評価した。図３に、本実施形態における電力伝送システムに対する伝送効率のシミュレーション結果を示す。図３において、横軸は周波数数［ＭＨｚ］を示し、縦軸は、送受電コイル間の通過特性であるＳ２１［ｄＢ］を示している。二点鎖線は、送受電コイルのみを配置したときの伝送特性を示している（以下、サンプル０と記載）。破線は、送受電コイルの近傍に全面グランドパターンを想定した導体を配置したときの伝送特性を示している（以下、サンプル１と記載）。サンプル１はサンプル０に対して、全面グランドパターンを有する基板を受電コイル近傍に配置することで最大伝送効率が２ｄＢ程度、悪化していることが分かる。点線と一点鎖線は、特許文献２に記載の木の枝状にグランドパターンを形成し、検証した結果である（以下、サンプル２、３と記載）。サンプル２、３はサンプル１に対して、受電コイルに発生する電力の低下を抑制する効果があることが分かるが、サンプル０よりは、伝送効率が低いことが分かる。実線は、本実施形態の伝送特性を示したものである（以下、サンプル４と記載）。サンプル４は、サンプル１の全面グランドパターンに２ｍｍのスリットを設けたものである。このようにスリットを設けることで、送受電コイルが単独で存在している時とほぼ同様の伝送効率になることが示された。

このように、本実施形態によれば、シャフトなどを通すための中空基板構造を有する、すなわち環形状の多層基板を送受電コイルの近くに用いた場合であっても、受電コイルの出力低下を抑制することができる。また、プリント基板の上面から投影した場合に重ならないようにスリット部が構成されることにより、設計図面確認時に容易かつ確実に検証することができる。

［第二の実施形態］
図４に、第二の実施形態における電力伝送システム４００の概略構成を示す。第一の実施形態における電力伝送システム１００との差は、画像信号や制御信号などの信号配線２５を規定している点である。図５は、本実施形態における電力伝送システム４００の原理を説明するための図である。図５（ａ）と図５（ｂ）では、信号配線２５の一端に送信回路３１が接続され、信号配線２５の他端に受信回路３２が接続されている。図５（ａ）は、信号配線２５がスリット部を跨ぐように配置された例を示し、図５（ｂ）は、信号配線２５がスリット部を跨がないように配置された例を示している。第一の実施形態と同様に、プリント基板１１に実装された送電回路１２から送電コイル１０にスイッチング電流を流すと、送電コイル１０の中心部から周辺に交流磁界が発生する。その交流磁界が受電コイル２０と鎖交することにより電気エネルギーに変換され電源を供給可能となる。

しかし、送電コイル１０、受電コイル２０、プリント基板１１、プリント基板２１を近接に配置すると、交流磁界は同時に受電コイル２０の上部に配置されたプリント基板２１や下部に配置されたプリント基板１１とも鎖交することになり、プリント基板１１やプリント基板２１内の銅箔パターンに電流が誘起される。誘起される電流は、交流磁界によりプリント基板上の導体部全面に渦状の電流が発生する。この渦電流は交流磁界の変動に合わせて変動するがマクロ的に捉えると、Ａ点を起点に基板内側のＢ点を通り、反対側のC点を経由しＤ点を通ってふたたびＡ点に戻るようなループを形成するように流れる。

ここで、Ａ点側の基板端面ａとＣ点側の基板端面ｃに発生する電位差を３Ｄ電磁界シミュレータにて算出した。送電コイルに１５０Ｖ程度のスイッチングノイズが印加されることを想定しシミュレーションした結果、基板端面ａ－ｃ間には、１０．９ｋＶ／ｍの電界が発生していた。この時、シミュレーション時のスリット幅は、２ｍｍであるので電界を線積分すると約２２Ｖ程度の電位差が生じることがシミュレーションにより明らかになった。

Ａ点とＣ点で約２２Ｖの差が生じており、このスリット部を送信回路３１から受信回路３２への信号配線２５が跨いだ場合、受信回路３２に信号電圧±２２Ｖの信号が印加されることとなり、一般的なＣＭＯＳやＴＴＬロジックのＩＣの耐圧を超え、破壊してしまう虞がある。このように信号配線２５がスリット部を跨ぐように、Ｃ点からＡ点に直接配線された場合、ＩＣの誤動作や破壊といった問題が発生する。一方、図５（ｂ）は、信号配線２５がＣ点からＤ点（Ｂ点）を経由してＡ点に配線される。このように配線することで信号配線２５に誘起される電位が、Ａ点の電位と略同じになるため、ＩＣの動作や破壊を防止することが可能となる。なお、図５（ｂ）のように信号配線２５が配置された場合に、送信回路３１には容量素子と抵抗が接続され、受信回路３２には容量素子が接続されるように構成されてもよい。このような構成により、電位差をより縮める効果が生じ得る。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。

１００非接触電力伝送システム、１１０送電側、１２０受電側、１０送電コイル１１プリント基板、１２送電回路、１３スリット部、２０受電コイル、２１プリント基板、２２受電回路、２３スリット部、２４負荷

Claims

それぞれの中心軸方向が略一致するように重ねて配置された環形状の第一の基板、第一のコイル、第二のコイル、および環形状の第二の基板と、
前記第一の基板に実装された送電回路であって、前記第一のコイルに電圧を印加する送電回路と、
前記第二の基板に実装された受電回路であって、電磁誘導と磁界共鳴との少なくとも何れかにより前記第二のコイルに発生した電流を整流する受電回路とを有し、
前記第二の基板はグランドパターンと電源パターンを含む多層基板であり、
前記グランドパターン及び前記電源パターンは渦電流の発生が抑制できるよう、環形状の一部が存在しないことを特徴とする電力伝送システム。
前記グランドパターンと前記電源パターンとが前記多層基板の少なくとも２層以上において存在しない共通の領域を有することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
前記グランドパターンが存在する第一の層の内、前記グランドパターンが存在しない第一の領域と、前記電源パターンが存在する第二の層の内、前記電源パターンが存在しない第二の領域とが重なることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
前記グランドパターンと前記電源パターンとを前記第二の基板の上面から投影した際に、前記グランドパターンと前記電源パターンとが存在しない共通の領域を有することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
前記環形状の一部の中心角度は３０度未満であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
前記環形状の一部は、０．４ｍｍ～２ｍｍの間隙であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
前記環形状の一部は、前記環形状の一部の一端と他端のインピーダンスが、前記送電回路による電圧印加に応じたスイッチング電流のスイッチング周波数に対して、前記グランドパターンと前記電源パターンにおいて高いインピーダンスに保持されるように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
前記第一のコイルは前記第一の基板のパターンとして構成され、前記第二のコイルは前記第二の基板のパターンとして構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
前記第二の基板上に前記グランドパターン及び前記電源パターンが存在しない領域を跨がないように配置された信号伝送のための信号配線を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
前記第一の基板は他のグランドパターンと他の電源パターンが形成された多層基板であり、前記第一の基板は、前記グランドパターン及び前記電源パターンは渦電流の発生が抑制できるよう、環形状の一部が存在しないことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
それぞれの中心軸方向が略一致するように重ねて配置された環形状の第一の基板、第一のコイル、第二のコイル、および環形状の第二の基板、を有する電力伝送システムの制御方法であって、
前記第一の基板に実装された送電回路から前記第一のコイルに電圧を印加し、
電磁誘導と磁界共鳴との少なくとも何れかにより前記第二のコイルに発生した電流を、前記第二の基板に実装された受電回路により整流し、
前記第二の基板はグランドパターンと電源パターンを含む多層基板であり、前記グランドパターン及び前記電源パターンは渦電流の発生が抑制できるよう、環形状の一部が存在しないことを特徴とする制御方法。