JP6315109B2 - Power supply device - Google Patents
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Description
本発明は、電磁界共鳴結合を利用して外部装置へ給電する給電装置に関する。 The present invention relates to a power feeding device that feeds power to an external device using electromagnetic resonance coupling.
給電システムには、送電装置及び受電装置それぞれに、コイルとコンデンサとからなる共振器を設け、それぞれの共振器を磁界共鳴させて、送電装置から受電装置へ給電するものがある。磁界共鳴を利用した場合、それぞれの共振器の周波数特性がずれると、伝送電力が低下するおそれがある。特許文献1には、共振用可変コンデンサを設け、その容量値を調整することで、送電装置及び受電装置それぞれのコイルの配置(距離)により共振器の周波数特性が変化しても、共振器の周波数特性のピークを高周波電力の周波数に合わせて、伝送電力が低下しないようにした電力伝送装置が開示されている。
Some power feeding systems are provided with a resonator including a coil and a capacitor in each of the power transmitting device and the power receiving device, and magnetically resonate each resonator to supply power from the power transmitting device to the power receiving device. When using magnetic field resonance, if the frequency characteristics of the respective resonators are deviated, the transmission power may be reduced. In
しかしながら、特許文献1に記載のように、可変容量コンデンサを設けた場合、高コストとなり、かつ、回路が複雑化するといった問題がある。また、ユーザが送電装置に手を触れ、又はクリップ等の金属が送電装置に置かれた場合、送電装置のコイル等の配線パターンと、手又は金属との間に浮遊容量が発生し、共振周波数が変動する場合がある。一般的には、設計段階で通常動作時に、送電装置の共振器の共振周波数が、受電装置の共振器の共振周波数と一致するように回路定数を設定するため、前記のように、使用中に浮遊容量が発生した場合、共振周波数特性を調整できず、効率よく給電できない場合がある。
However, as described in
そこで、本発明の目的は、給電効率を低下させない給電装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a power feeding device that does not reduce power feeding efficiency.
本発明は、電磁界共鳴結合を利用して外部装置へ給電する給電装置において、入力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力側に接続され、前記外部装置が備える外部共振回路と同じ共振周波数の給電用共振回路と、を備え、前記給電用共振回路は、複数のインダクタ及び複数のキャパシタが交互に直列に接続されたLC直列共振回路であることを特徴とする。 The present invention provides a power feeding device that feeds power to an external device using electromagnetic resonance coupling, an inverter that converts an input DC voltage into an AC voltage, and an external device that is connected to an output side of the inverter and is provided in the external device A power supply resonance circuit having the same resonance frequency as the resonance circuit, wherein the power supply resonance circuit is an LC series resonance circuit in which a plurality of inductors and a plurality of capacitors are alternately connected in series.
この構成では、複数のインダクタ及びキャパシタでLC直列共振回路を形成しているため、一つのキャパシタでLC直列共振回路を形成した場合と比べ、キャパシタ一つ当たりの容量は大きい。このため、ユーザが給電装置に手を触れることで浮遊容量が発生しても、その浮遊容量は、LC直列共振回路のキャパシタの容量に比べて相対的に小さい。その結果、給電用共振回路の共振周波数の変動を抑えることができ、給電効率が低下することを防止できる。 In this configuration, since the LC series resonance circuit is formed by a plurality of inductors and capacitors, the capacitance per capacitor is larger than when the LC series resonance circuit is formed by one capacitor. For this reason, even if the user touches the power feeding device to generate stray capacitance, the stray capacitance is relatively small compared to the capacitance of the capacitor of the LC series resonance circuit. As a result, fluctuations in the resonance frequency of the power supply resonance circuit can be suppressed, and a reduction in power supply efficiency can be prevented.
本発明では、前記複数のインダクタそれぞれは、同じインダクタンスを有し、前記複数のキャパシタそれぞれは、同じキャパシタンスを有していることが好ましい。 In the present invention, each of the plurality of inductors preferably has the same inductance, and each of the plurality of capacitors preferably has the same capacitance.
この構成では、複数のインダクタ及びキャパシタの回路定数設定が行いやすい。 In this configuration, it is easy to set circuit constants for a plurality of inductors and capacitors.
本発明では、前記インダクタは絶縁体基板の表面に形成された給電用のループ状導体であり、前記キャパシタは前記ループ状導体の途中に設けられ、前記ループ状導体を被覆するように前記絶縁体基板の表面に設けられた保護膜をさらに備えることが好ましい。 In the present invention, the inductor is a loop conductor for power feeding formed on a surface of an insulator substrate, and the capacitor is provided in the middle of the loop conductor, and the insulator covers the loop conductor. It is preferable to further include a protective film provided on the surface of the substrate.
この構成では、ユーザの手がループ状導体に近づくことで生じる浮遊容量を、保護膜によって小さくできる。 In this configuration, stray capacitance generated when the user's hand approaches the loop conductor can be reduced by the protective film.
本発明によれば、給電用共振回路の共振周波数の変動を抑えることができ、給電効率が低下することを防止できる。 According to the present invention, it is possible to suppress fluctuations in the resonance frequency of the power supply resonance circuit, and it is possible to prevent power supply efficiency from being lowered.
図1は、本実施形態に係る給電装置1の構成を示す図である。図2は、本実施形態に係る給電装置1の回路図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
給電装置1は、空間的に離れた場所にある受電装置100に電磁界共鳴結合を利用して給電する装置である。本実施形態では、マウス及びマウスパッドを例に挙げ、受電装置100はマウスとし、給電装置1は、そのマウスにワイヤレス給電を行うことができるマウスパッドとして説明する。
The
給電装置1は、絶縁体からなる基板10の表面に形成された給電用のループ状導体11と、直流電圧を入力して交流電圧に変換するインバータ回路13と、複数のキャパシタC1,C2,C3,C4,C5とを備えている。ループ状導体11はインダクタンス成分を有している。そして、このインダクタンス成分は、キャパシタC1〜C5とでLC直列共振回路14を構成している。LC直列共振回路14は、本発明に係る「給電用共振回路」に相当する。
The
キャパシタC1〜C5は同じキャパシタンスを有している。そして、キャパシタC1〜C5は、ループ状導体11のインダクタンス成分が等分割されるように設けられる。詳しくは、キャパシタC1はループ状導体11の一端とインバータ回路13の一端との間に接続されている。キャパシタC2〜C5は、ループ状導体11の途中に設けられている。以下、キャパシタC1〜C5により分割されたループ状導体11のインダクタンス成分をそれぞれL1,L2,L3,L4,L5と言う。このように、LC直列共振回路14は、インダクタンス成分L1〜L5と、キャパシタC1〜C5とが交互に直列に接続された構成である。
The capacitors C1 to C5 have the same capacitance. The capacitors C1 to C5 are provided so that the inductance component of the loop conductor 11 is equally divided. Specifically, the capacitor C <b> 1 is connected between one end of the loop conductor 11 and one end of the
また、隣り合うインダクタンス成分とキャパシタとは、LC直列回路141,142,143,144,145を形成している。LC直列回路141は、インダクタンス成分L1とキャパシタC1とで形成されている。LC直列回路142は、インダクタンス成分L2とキャパシタC2とで形成されている。LC直列回路143は、インダクタンス成分L3とキャパシタC3とで形成されている。LC直列回路144は、インダクタンス成分L4とキャパシタC4とで形成されている。LC直列回路145は、インダクタンス成分L5とキャパシタC5とで形成されている。このように、LC直列共振回路14は、複数のLC直列回路141〜145が直列接続された構成でもある。
Adjacent inductance components and capacitors form
前記のように、キャパシタC1〜C5は同じキャパシタンスを有し、インダクタンス成分L1〜L5も同じインダクタンスを有している。仮に、LC直列共振回路14の共振周波数Fを、1/(2π√LC)とする。この場合、キャパシタC1〜C5のキャパシタンスは5Cであり、インダクタンス成分L1〜L5のインダクタンスはL/5である。そうすると、LC直列回路141〜145それぞれは、f=1/(2π√(L/n・nC))=1/(2π√LC)となり、LC直列共振回路14と同じ共振周波数を有する。このように、ループ状導体11のインダクタンス成分を等分割し、LC直列共振回路14と共振周波数が同じ複数のLC直列回路141〜145を形成することで、複数のインダクタンス成分L1〜L5及びキャパシタC1〜C5の回路定数設定が容易となる。
As described above, the capacitors C1 to C5 have the same capacitance, and the inductance components L1 to L5 also have the same inductance. Suppose that the resonance frequency F of the LC
インバータ回路13は直流電源9から入力された直流電圧を交流電圧に変換する。この交流電圧の周波数は、LC直列共振回路14の共振周波数と同じである。インバータ回路13により変換された交流電圧はループ状導体11に入力され、ループ状導体11に電流が流れる。これによって、ループ状導体11に磁界が発生する。
The
基板10の表面には、ユーザがループ状導体11を直接触れないようにするために、ループ状導体11及びキャパシタC2〜C5を被覆する保護膜10Aが設けられている。基板10及び保護膜10Aはマウスパッド本体に相当し、マウスである受電装置100は保護膜10Aの表面上で操作される。
A
保護膜10Aは、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の低誘電率樹脂(例えば、誘電率が3程度)である。低誘電率樹脂を用いることで、ユーザの手がループ状導体11に近づいたときに生じる浮遊容量を小さくできる。浮遊容量が形成されると、LC直列共振回路14の共振特性が変動する場合があるが、浮遊容量を小さくすることで、LC直列共振回路14の共振特性に与える影響を抑えることができる。
The
受電装置100は、受電用ループ状導体101、キャパシタ102及び受電回路103で構成されている。受電用ループ状導体101とキャパシタ102とでLC共振回路(本発明に係る外部共振回路)が構成され、その共振周波数はインバータ回路13の駆動周波数、及び給電装置側のLC直列共振回路の共振周波数に等しい。受電用ループ状導体101には、基板10に形成されたループ状導体11に電流が流れて生じる磁束が鎖交する。そして、ループ状導体11と受電用ループ状導体101とが結合することで、給電装置1から受電装置100へ給電される。
The
なお、インバータ13の駆動周波数、LC直列共振回路14の共振周波数、及び受電装置100のLC共振回路の共振周波数は、それぞれ「同じ」としているが、完全一致でなくてもよい。LC直列共振回路14と受電装置100のLC共振回路とが結合する範囲内であれば、前記の「同じ」に含まれる。
Note that the drive frequency of the
このように構成された給電装置1において、保護膜10Aにユーザの手が触れ、又は、クリップ等の金属が置かれた場合、手(又は金属)とループ状導体11との間に浮遊容量が生じる。この浮遊容量によって、LC直列共振回路14の共振特性に影響を及ぼすおそれがある。そこで、本実施形態では、LC直列共振回路14は、複数のインダクタンス成分L1〜L5と、複数のキャパシタC1〜C5とで形成されている。このため、一つのキャパシタでLC直列共振回路の容量成分を形成する場合と比べて、キャパシタC1〜C5の一つ当たりのキャパシタンスは大きい。これにより、浮遊容量が発生しても、その容量は、キャパシタC1〜Cそれぞれのキャパシタンスに比べて相対的に小さい。その結果、LC直列共振回路14の共振特性の変動を抑えることができる。
In the
図3は、LC直列共振回路14において浮遊容量が形成される位置を示す図である。位置(A)は、LC直列回路141のインダクタンス成分L1の前段部分(キャパシタC1とインダクタンス成分L1との間)、位置(B)は、LC直列回路143のインダクタンス成分L3の前段部分である。位置(C)は、LC直列回路143のインダクタンス成分L3の中間部分である。位置(D)は、LC直列回路143のインダクタンス成分L3の後段部分である。位置(E)は、LC直列回路145のインダクタンス成分L5の後段部分である。なお、図3では、一例として、ユーザが位置(A)に触れたときの浮遊容量Cpを示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating positions where stray capacitance is formed in the LC
図4(A)は、図3に示す位置に浮遊容量が形成された場合の共振特性を示す図である。図4(B)は、図4(A)との対比として、一つのキャパシタでLC直列共振回路の容量成分を形成した場合の共振特性を示す図である。図4(B)の場合、キャパシタは、キャパシタC1の位置にのみ設けられている。図4(A)及び図4(B)の縦軸は、インバータ回路13からLC直列共振回路14側を見たときのインピーダンスであり、横軸は、インバータ回路13の駆動周波数である。
FIG. 4A is a diagram showing resonance characteristics when stray capacitance is formed at the position shown in FIG. FIG. 4B is a diagram showing resonance characteristics in the case where the capacitance component of the LC series resonance circuit is formed by one capacitor as a comparison with FIG. In the case of FIG. 4B, the capacitor is provided only at the position of the capacitor C1. 4A and 4B, the vertical axis represents the impedance when the LC
一つのキャパシタでLC直列共振回路の容量成分を形成した場合、図4(B)に示すように、浮遊容量Cpが形成される位置によって、共振特性は変化する。詳しくは、位置(E)から位置(A)に向かうに従い、共振特性の変化は大きい。 When the capacitance component of the LC series resonance circuit is formed by one capacitor, the resonance characteristics change depending on the position where the stray capacitance Cp is formed as shown in FIG. Specifically, as the position (E) moves from the position (A) to the position (A), the change in the resonance characteristics increases.
これに対し、本実施形態のように、LC直列回路141〜145を直列接続してLC直列共振回路14を形成した場合、位置(A)〜(E)のどこに浮遊容量Cpが形成されても、LC直列回路141〜145の合成等価回路、すなわち、LC直列共振回路14の共振特性は、図4(A)に示すように、略変化しない。
On the other hand, when the LC
なお、図4(A)において、位置(A)、(B)は略同じ特性であるため、重なっている。また、位置(D)、(E)も略同じ特性であるため、重なっている。 In FIG. 4A, positions (A) and (B) overlap with each other because they have substantially the same characteristics. Further, since the positions (D) and (E) have substantially the same characteristics, they overlap.
以上のように、LC直列共振回路14を、複数のインダクタンス成分L1〜L5と、複数のキャパシタC1〜C5とで構成して、キャパシタC1〜C5のキャパシタンスを大きくすることで、浮遊容量Cpが形成されても、LC直列共振回路14の共振特性が変動しないようにできる。この結果、受電装置100への給電効率を低下することを防止できる。
As described above, the LC
また、給電装置の設計によるが、複数のインダクタンス成分L1〜L5に分割することで、それぞれのループ状導体が有するインダクタンス成分の自己共振周波数を高周波側にシフトさせることができ、自己共振周波数が駆動周波数と近付くことを防ぐことで、インダクタとしての機能が劣化することを防ぐことができる。 Depending on the design of the power supply device, by dividing the inductance component into a plurality of inductance components L1 to L5, the self-resonance frequency of the inductance component of each loop conductor can be shifted to the high-frequency side, and the self-resonance frequency is driven. By preventing the frequency from approaching, the function as an inductor can be prevented from deteriorating.
なお、本実施形態では、基板10の表面にループ状導体11を形成し、ループ状導体11を被覆するように保護膜10Aを設けているが、基板10の表面から露出しないよう、内側にループ状導体11を形成するようにしてもよい。この場合、保護膜10Aは設ける必要がない。また、浮遊容量Cpを小さくするため、ループ状導体11の線幅を細くしてもよい。
In this embodiment, the loop-shaped conductor 11 is formed on the surface of the
本実施形態では、ループ状導体11を5つに等分割してインダクタンス成分L1〜L5を形成し、キャパシタC1〜C5を設けているが、インダクタンス成分及びキャパシタの数はこれに限定されない。また、インダクタンス成分L1〜L5はそれぞれ異なっていてもよいし、キャパシタC1〜C5のキャパシタンスもそれぞれ異なっていてもよい。複数のキャパシタはそれぞれ、想定される浮遊容量Cpよりも大きなキャパシタンスを有していればよい。 In this embodiment, the loop conductor 11 is equally divided into five to form the inductance components L1 to L5 and the capacitors C1 to C5 are provided, but the inductance components and the number of capacitors are not limited to this. Further, the inductance components L1 to L5 may be different from each other, and the capacitances of the capacitors C1 to C5 may be different from each other. Each of the plurality of capacitors only needs to have a capacitance larger than the assumed stray capacitance Cp.
図5は、給電装置の別の例の回路図である。図5に示すように、直列接続されたインダクタンス成分L5及びキャパシタC5に対して、さらに、インダクタンス成分L6及びキャパシタC6の直列回路を、並列に接続した構成であってもよい。 FIG. 5 is a circuit diagram of another example of the power supply apparatus. As shown in FIG. 5, a configuration in which a series circuit of an inductance component L6 and a capacitor C6 is further connected in parallel to the inductance component L5 and the capacitor C5 connected in series may be used.
C1,C2,C3,C4,C5,C6…キャパシタ
Cp…浮遊容量
L1,L2,L3,L4,L5,L6…インダクタンス成分
1…給電装置
9…直流電源
10…基板
10A…保護膜
11…ループ状導体
13…インバータ回路
14…LC直列共振回路(給電用共振回路)
100…受電装置(外部装置)
101…受電用ループ状導体
102…キャパシタ
141,142,143,144,145…LC直列回路C1, C2, C3, C4, C5, C6 ... Capacitor Cp ... Stray capacitance L1, L2, L3, L4, L5, L6 ...
100: Power receiving device (external device)
101 ... Loop conductor for
Claims (6)
入力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータの出力側に接続され、前記外部共振回路と同じ共振周波数の給電用共振回路と、
を備え、
前記給電用共振回路は、複数のインダクタ及び複数のキャパシタを有し、前記インダクタ及び前記キャパシタが交互に直列に接続されたLC直列共振回路であり、
前記キャパシタの容量は前記インダクタに形成される浮遊容量よりも大きい、
給電装置。 To an external device having an external resonant circuit, the power feeding device for feeding electricity by using electromagnetic resonance coupling,
An inverter that converts input DC voltage into AC voltage;
Connected to the output side of the inverter, a power supply resonance circuit having the same resonance frequency as before Kigai unit resonant circuit,
With
The power supply resonance circuit has a plurality of inductors and a plurality of capacitors, Ri said inductor and LC series resonant circuits der that the capacitor is alternately connected in series,
The capacitance of the capacitor is larger than the stray capacitance formed in the inductor ,
Power supply device.
前記複数のキャパシタそれぞれは、同じキャパシタンスを有する、
請求項1に記載の給電装置。 Each of the plurality of inductors has the same inductance,
Each of the plurality of capacitors, we have the same capacitance,
The power feeding device according to claim 1.
前記キャパシタは、互いに隣接する前記ループ状導体と前記ループ状導体との間に設けられ、
前記ループ状導体を被覆するように前記絶縁体基板の表面に設けられた保護膜をさらに備える、
請求項1又は2に記載の給電装置。 The inductor is a loop conductor for feeding formed on the surface of an insulating substrate,
The capacitor is provided between the loop conductor and the loop conductor adjacent to each other ,
A protective film provided on the surface of the insulator substrate so as to cover the loop-shaped conductor;
The power feeding device according to claim 1 or 2.
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