JP6533451B2 - 無線電力受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を直流電流に整流変換する無線電力受電装置に関する。

無線による電力送電方式としては、マイクロ波方式、電磁誘導方式、磁気共鳴方式などが挙げられる。ここで、マイクロ波方式は、他の方式に比べて、指向性が高く、送電距離が大きいという特徴を有する。かかるマイクロ波方式は、電力受電部で受けたマイクロ波を整流回路により直流電流に変換して電力出電部から取出す方式をいう。

特開２００９−０３８９２４号公報（特許文献１）および特開２０１３−１６５３８９号公報（特許文献２）は、整流回路にダイオードを用いたマイクロ波方式の無線電力受電装置を開示する。

大電力を受電するためのマイクロ波方式の無線電力受電装置の整流回路に用いられるダイオードには、高耐圧性および高速動作性が要求される。このため、西村貴希、篠原真毅、三谷友彦、上野昌紀、善積祐介、岡田政也、「ＧａＮショットキーダイオードを用いた大電力用整流回路の開発」、電子情報通信学会無線電力伝送研究会、信学技報 ＷＰＴ２０１４−１０２、ｖｏｌ．１１４、ｎｏ．５２４、ｐｐ．４５−４８、２０１５年３月（非特許文献１）は、整流回路のダイオードとしてＧａＮショットキーバリアダイオードを用いたマイクロ波方式の無線電力受電装置を開示する。

特開２００９−０３８９２４号公報 特開２０１３−１６５３８９号公報

西村貴希、篠原真毅、三谷友彦、上野昌紀、善積祐介、岡田政也、「ＧａＮショットキーダイオードを用いた大電力用整流回路の開発」、電子情報通信学会無線電力伝送研究会、信学技報 ＷＰＴ２０１４−１０２、ｖｏｌ．１１４、ｎｏ．５２４、ｐｐ．４５−４８、２０１５年３月

上記の整流回路のダイオードとしてＧａＮショットキーバリアダイオードを用いたマイクロ波方式の無線電力受電装置は、ＧａＮショットキーバリアダイオードが高耐圧で高速動作であることから、高い整流効率を有する。しかしながら、かかるマイクロ波方式の無線電力受電装置は、ＧａＮショットキーバリアダイオードなどの半導体ダイオードの通電に伴う発熱による耐圧低下、動作速度低下および抵抗増加のため、整流効率が低下するという問題点があった。

そこで、整流回路に用いられるダイオードの発熱を抑制または除去することにより、上記の問題点を解決して、整流効率が高いマイクロ波方式の無線電力受電装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様にかかる無線電力受信装置は、第１主面と第２主面とを有する第１誘電体基板と、第３主面と第４主面とを有する第２誘電体基板と、を備え、第１誘電体基板の第１主面上に配置される電力受電部と、第１誘電体基板の第１主面上に配置される電波伝送線路と、第１誘電体基板の第２主面上および第２誘電体基板の第３主面上に配置される接地導体と、第２誘電体基板の第３主面上の接地導体上に配置される縦型ショットキーバリアダイオードと、第１誘電体基板の第１主面上に配置される電力出電部と、を含む整流回路と、第２誘電体基板の第４主面側に配置される冷却体と、をさらに備え、冷却体は、第２誘電体基板を介して縦型ショットキーバリアダイオードを冷却する。

上記によれば、整流回路に用いられるダイオードの発熱が抑制または除去されて、整流効率が高いマイクロ波方式の無線電力受電装置が提供される。

本発明のある態様にかかる無線電力受電装置の一例を示す概略断面図である。 本発明のある態様にかかる無線電力受電装置の一例の整流回路部分を示す平面写真である。 本発明のある態様にかかる無線電力受電装置の一例の整流回路図である。 典型的な無線電力受電装置の一例を示す概略断面図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明のある実施態様にかかる無線電力受電装置は、第１主面と第２主面とを有する第１誘電体基板と、第３主面と第４主面とを有する第２誘電体基板と、を備える。第１誘電体基板の第１主面上に配置される電力受電部と、第１誘電体基板の第１主面上に配置される電波伝送線路と、第１誘電体基板の第２主面上および第２誘電体基板の第３主面上に配置される接地導体と、第２誘電体基板の第３主面上の接地導体上に配置される縦型ショットキーバリアダイオードと、第１誘電体基板の第１主面上に配置される電力出電部と、を含む整流回路と、第２誘電体基板の第４主面側に配置される冷却体と、をさらに備える。冷却体は、第２誘電体基板を介して縦型ショットキーバリアダイオードを冷却する。本実施態様の無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードの発熱が第２誘電体基板を介して冷却体により抑制または除去されるため、整流効率が高い。

本実施態様の無線電力受電装置において、電波伝送線路は、第１誘電体基板の第１主面の少なくとも一部上に配置される第１電波伝送線路および第２電波伝送線路を含む。接地導体は、第１誘電体基板の第２主面上に配置される第１接地導体と、第２誘電体基板の第３主面上に配置される第２接地導体と、第１接地導体と第２接地導体とを電気的に接続する導電接合体と、を含む。縦型ショットキーバリアダイオードは、第１主面部と第２主面部とを含み、第２誘電体基板の第３主面上に配置される第２接地導体の一部上に、縦型ショットキーバリアダイオードの第２主面部が電気的に接続するように配置され、縦型ショットキーバリアダイオードの第１主面部が第１電波伝送線路に電気的に接続される。かかる無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードの発熱が第２誘電体基板を介して冷却体により抑制または除去されるため、整流効率が高い。

本実施態様の無線電力受電装置において、第２誘電体基板は、その抵抗率を１×１０⁴Ωｍ以上とし、その熱伝導率を１７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上とすることができる。かかる無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードで発生する熱を第２誘電体基板２００を介して冷却体へ効率よく排出することが可能となり、ダイオードの発熱を抑制でき整流効率が高い。これは、ダイオードは発熱により温度が上昇すると抵抗が増大し、ダイオードの抵抗が増大すると無線電力受電装置の整流効率は低下するからである。

本実施態様の無線電力受電装置において、第２誘電体基板は、ＩＩＩ族窒化物、炭化ケイ素およびダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成され得る。かかる無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードで発生する熱を第２誘電体基板２００を介して冷却体へ効率よく排出することが可能となり、ダイオードの発熱を抑制でき整流効率が高い。これは、ダイオードは発熱により温度が上昇すると抵抗が増大し、ダイオードの抵抗が増大すると無線電力受電装置の整流効率は低下するからである。

本実施態様の無線電力受電装置において、冷却体は、板状およびフィン状からなる群から選ばれる少なくとも１種類の形状とできる。かかる無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードを第２誘電体基板を介して冷却する冷却体の冷却効果が高いことから、ダイオードの発熱がより抑制またはより除去されるため、整流効率が高い。

本実施態様の無線電力受電装置において、冷却体は、ペルチェ効果を有する構造体で形成され得る。かかる無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードを第２誘電体基板２００を介して冷却する冷却体の冷却効果が高いことから、ダイオードの発熱がより抑制またはより除去されるため、整流効率が高い。

本実施態様の無線電力受電装置において、縦型ショットキーバリアダイオードは、ＩＩＩ族窒化物および炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成され得る。かかる無線電力受電装置は、整流回路に用いられるダイオードがＩＩＩ族窒化物および炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成されていることから、高耐電圧かつ高速動作であるため、整流効率が高い。

[本発明の実施形態の詳細]
図１〜図３に示すように、本発明のある実施形態にかかる無線電力受電装置１は、第１主面と第２主面とを有する第１誘電体基板１００と、第３主面と第４主面とを有する第２誘電体基板２００と、を備える。第１誘電体基板１００の第１主面上に配置される電力受電部１１と、第１誘電体基板１００の第１主面上に配置される電波伝送線路１１０と、第１誘電体基板１００の第２主面上および第２誘電体基板２００の第３主面上に配置される接地導体２０と、第２誘電体基板２００の第３主面上の接地導体２０上に配置される縦型ショットキーバリアダイオード１３と、第１誘電体基板１００の第１主面上に配置される電力出電部１６と、を含む整流回路１０と、第２誘電体基板２００の第４主面側に配置される冷却体４００と、をさらに備える。冷却体４００は、第２誘電体基板２００を介して縦型ショットキーバリアダイオード１３を冷却する。本実施形態の無線電力受電装置１は、整流回路１０に用いられる縦型ショットキーバリアダイオード１３の発熱が第２誘電体基板２００を介して冷却体４００により抑制または除去されるため、整流効率が高い。

本実施形態の無線電力受電装置１において、より具体的には、電波伝送線路１１０は、第１誘電体基板１００の第１主面の少なくとも一部上に配置される第１電波伝送線路１１１および第２電波伝送線路１１２を含む。接地導体２０は、第１誘電体基板１００の第２主面上に配置される第１接地導体１２０と、第２誘電体基板２００の第３主面上に配置される第２接地導体２２０と、第１接地導体１２０と第２接地導体２２０とを電気的に接続する導電接合体３００と、を含む。接地導体２０に含まれる第１接地導体１２０、第２接地導体２２０および導電接合体３００は、同一の電位を有する。

縦型ショットキーバリアダイオード１３は、第１主面部と第２主面部とを含み、第２誘電体基板２００の第３主面上に配置される第２接地導体２２０の一部上に、縦型ショットキーバリアダイオード１３の第２主面部が電気的に接続するように配置され、縦型ショットキーバリアダイオード１３の第１主面部が第１電波伝送線路１１１に電気的に接続される。

かかる無線電力受電装置１は、整流回路１０に用いられる縦型ショットキーバリアダイオード１３の発熱が第２誘電体基板２００を介して冷却体４００により抑制または除去されるため、整流効率が高い。

ここで、第１電波伝送線路１１１と縦型ショットキーバリアダイオード１３の第１主面部との電気的な接続は、特に制限はなく、たとえば、ボンディングワイヤー１８ａを用いたワイヤーボンディングにより行なう。また、縦型ショットキーバリアダイオード１３の第２主面部と第２誘電体基板２００の第３主面上に配置される第２接地導体２２０との電気的な接続は、特に制限はなく、たとえば、ダイボンディングにより行なう。さらに、第２接地導体２２０と第２電波伝送線路１１２との電気的な接続は、特に制限はなく、たとえば、ボンディングワイヤー１８ｂを用いたワイヤーボンディングにより行なう。

（第１誘電体基板）
第１誘電体基板１００は、第１主面と第２主面とを有する。第１誘電体基板１００は、特に制限はないが、電力受電部１１、電波伝送線路１１０（第１電波伝送線路１１１および第２電波伝送線路１１２）および電力出電部１６と、第１接地導体１２０と、の絶縁性が高い観点から、その抵抗率は、１×１０⁴Ωｍ以上が好ましく、１×１０⁶Ωｍ以上がより好ましい。第１誘電体基板１００は、上記観点から、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）基板、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）基板、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板などが好適に挙げられる。

また、第１誘電体基板１００は、特に制限はないが、縦型ショットキーバリアダイオード１３を上記のように配置および電気的な接続をするのに好適な観点から、開口部１００ｗを有することが好ましい。第２誘電体基板２００の第３主面上に配置される第２接地導体２２０の一部の上方に第１誘電体基板１００の開口部１００ｗが位置するように、第１誘電体基板１００の第２主面上に配置される第１接地導体１２０と第２誘電体基板２００の第３主面上に配置される第２接地導体２２０とを導電接合体３００で接合し、開口部１００ｗ内の第２接地導体２２０上に縦型ショットキーバリアダイオード１３を配置することにより、容易に、上記のような縦型ショットキーバリアダイオード１３の配置および電気的な接続が行える。

（第２誘電体基板）
第２誘電体基板２００は、第３主面と第４主面とを有する。第２誘電体基板２００は、特に制限はないが、第２接地導体２２０と裏面導体２３０との絶縁性が高い観点から、その抵抗率は、１×１０⁴Ωｍ以上が好ましく、１×１０⁶Ωｍ以上がより好ましい。また、第２誘電体基板２００は、特に制限はないが、整流回路に用いられるダイオードで発生する熱を第２誘電体基板２００を介して冷却体へ効率よく排出することが可能となり、ダイオードの発熱を抑制でき整流効率が高くなる観点から、その熱伝導率は、１７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上が好ましく、２５０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上がより好ましい。

また、第２誘電体基板２００は、上記の観点から、ＩＩＩ族窒化物、炭化ケイ素およびダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成されることが好ましい。第２誘電体基板２００は、上記観点に加えてさらに低コストである観点から、たとえば、多結晶ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、多結晶ＳｉＣ（炭化ケイ素）、多結晶ダイヤモンドなどが好適に挙げられる。

（整流回路）
本実施形態の無線電力受電装置１の整流回路１０は、電力受電部１１と、電波伝送線路１１０と、接地導体２０と、縦型ショットキーバリアダイオード１３と、電力出電部１６と、を含む。かかる整流回路１０により、マイクロ波が直流電流に整流される。

電力受電部１１は、マイクロ波を受電する部分である。無線電力受電装置１の電力受電部１１は、図３に示すように一般的に受信アンテナである。図３においては、無線電力送電装置７０において電力発生装置７１であるマイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を電力送電部７２から送信し、そのマイクロ波を電力受電部１１である受信アンテナで受信させる。なお、実施例などにおいては、図２に示すように、無線電力受電装置１の電力受電部１１として、マイクロ波発生装置を用いている。

ここで、電波伝送線路１１０は、第１電波伝送線路１１１と、第２電波伝送線路１１２とを含む。第１電波伝送線路１１１は、整合回路１２を構成する。第２電波伝送線路１１２は、（１／４）波長線路１４とコンデンサ線路１５とを構成する。電力受電部１１で受信されたマイクロ波は、整合回路１２で、低い反射率で効率よく交流電流に変換されて縦型ショットキーバリアダイオード１３に供給される。交流電流は縦型ショットキーバリアダイオード１３、（１／４）波長線路１４およびコンデンサ線路１５を経由して直流電流に整流される。直流電流は、電力出電部１６から取出される。

（縦型ショットキーバリアダイオード）
縦型ショットキーバリアダイオード１３は、特に制限はないが、高耐圧かつ高速動作である観点から、ＩＩＩ族窒化物および炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成されていることが好ましく、ＩＩＩ族窒化物で形成されていることがより好ましい。ＩＩＩ族窒化物としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_1-xＧａ_xＮ（０＜ｘ＜１）などが好適に挙げられる。

（冷却体）
冷却体４００は、特に制限はないが、縦型ショットキーバリアダイオード１３を冷却する効果を高める観点から、銅、アルミニウムなどの材料で形成されていることが好ましい。

また、冷却体４００は、特に制限はないが、縦型ショットキーバリアダイオード１３を冷却する効果を高める観点から、板状およびフィン状からなる群から選ばれる少なくとも１種類の形状であることが好ましい。ここで、図１に示すように、フィン４００ｆとは、冷却体４００に設けられている冷却効果をための突起状の構造をいう。図１に示す冷却体４００は、全体として板状であり、少なくとも一部がフィン状となっているため、冷却効果が高い。

また、冷却体４００は、特に制限はないが、縦型ショットキーバリアダイオード１３を冷却する効果を高める観点から、ペルチェ効果を有する構造体（ペルチェ素子）で形成されていることが好ましい。ここで、ペルチェ効果とは、２種類の金属の接合部に電流を流すと一方の金属から他方の金属に熱が移動する効果をいう。

（実施例１）
図１および図３に示す無線電力受電装置を作製した。電力受電部１１として、周波数が２．４５ＧＨｚ（波長が１２２ｍｍ）の交流発生装置を用いた。第１誘電体基板１００として、直径３ｍｍの開口部１００ｗを有する長さが７０ｍｍで幅が５５ｍｍで厚さが４００μｍで誘電率が２．６（無単位）のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）基板を用いた。第２誘電体基板２００として、長さが１０ｍｍで幅が１０ｍｍで厚さが４００μｍで誘電率が８．８（無単位）の多結晶ＡｌＮ基板を用いた。整合回路１２を構成する第１電波伝送線路１１１、ならびに、（１／４）波長線路１４およびコンデンサ線路１５を構成する第２電波伝送線路１１２として、幅が１．１ｍｍで厚さが１８μｍの銅線路を用いた。第１接地導体１２０および第２接地導体２２０として、厚さが１８μｍの銅導体を用いた。第２誘電体基板２００の第４主面上に配置される裏面導体２３０として、厚さが３μｍの銅導体を用いた。第１接地導体１２０の一部と第２接地導体２２０の一部とを、導電接合体３００としてＳｎ−Ｐｂ（スズ−鉛）はんだを用いて接合した。

縦型ショットキーバリアダイオード１３として、逆方向耐電圧が９４Ｖ、オーミック抵抗が１．２５Ω、無バイアス接合容量が６．１ｐＦの縦型ＧａＮショットキーバリアダイオードを用いた。第１誘電体基板１００の開口部１００ｗ内であって、第２接地導体２２０の一部上に、Ｓｎ−Ｐｂはんだを用いて、縦型ショットキーバリアダイオード１３の第２主面部をダイボンディングした。また、縦型ショットキーバリアダイオード１３の第１主面部をボンディングワイヤー１８ａとして金ワイヤーを用いて第１電波伝送線路１１１にワイヤーボンディングした。さらに、ボンディングワイヤー１８ｂとして金ワイヤーを用いて第２接地導体２２０と第２電波伝送線路１１２とをワイヤーボンディングした。

第２誘電体基板２００の第４主面上に配置された裏面導体２３０を、冷却体４００である長さが８００ｍｍｍで幅が８００ｍｍでフィン部以外の部分の厚さが１０ｍｍの銅板上に接触して配置した。冷却体４００の裏面導体２３０と接していない主面には、長さが８００ｍｍで幅が３０ｍｍで高さが３０ｍｍであるストライプ状の銅の突起が５０ｍｍのピッチで配置されたフィン４００ｆを有していた。

上記のようにして作製した本実施例の無線電力受電装置の整流効率（交流から直流への変換効率、具体的には交流入力電力に対する直流出力電力の百分率をいう）は、パワーメータにより測定したところ、７０％と高かった。また、縦型ショットキーバリアダイオードの第１主面部の表面温度は、放射温度計により測定したところ、３０℃と低かった。

（比較例１）
図４に示すように、冷却体を設けずに、第１誘電体基板１００上に縦型ショットキーバリアダイオード１３を載せたこと以外は、実施例１と同様にして、無線電力受電装置１を作製した。このようにして作製した本比較例の無線電力受電装置の整流効率は４３％と低かった。また、縦型ショットキーバリアダイオードの第１主面部の表面温度は７０℃と高かった。

実施例１と比較例１との対比から明らかなように、電力受電部と、電波伝送線路と、接地導体と、縦型ショットキーバリアダイオードと、電力出電部と、を含む整流回路と、縦型ショットキーバリアダイオードを冷却する冷却体と、を備える無線電力受電装置は、整流効率が高いことがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 無線電力受電装置
１０ 整流回路
１１ 電力受電部
１２ 整合回路
１３ 縦型ショットキーバリアダイオード
１４ （１／４）波長線路
１５ コンデンサ線路
１６ 電力出電部
１８ａ，１８ｂ ボンディングワイヤー
２０ 接地導体
７０ 無線電力送電装置
７１ 電力発生装置
７２ 電力送電部
１００ 第１誘電体基板
１００ｗ 開口部
１１０ 電波伝送線路
１１１ 第１電波伝送線路
１１２ 第２電波伝送線路
１２０ 第１接地導体
２００ 第２誘電体基板
２２０ 第２接地導体
２３０ 裏面導体
３００ 導電接合体
４００ 冷却体
４００ｆ フィン

Claims (6)

1. 第１主面と第２主面とを有する第１誘電体基板と、第３主面と第４主面とを有する第２誘電体基板と、を備え、
   前記第１誘電体基板の前記第１主面上に配置される電力受電部と、前記第１誘電体基板の前記第１主面上に配置される電波伝送線路と、前記第１誘電体基板の前記第２主面上および前記第２誘電体基板の前記第３主面上に配置される接地導体と、前記第２誘電体基板の前記第３主面上の前記接地導体上に配置される縦型ショットキーバリアダイオードと、前記第１誘電体基板の前記第１主面上に配置される電力出電部と、を含む整流回路と、
   前記第２誘電体基板の前記第４主面側に配置される冷却体と、をさらに備え、
   前記冷却体は、前記第２誘電体基板を介して前記縦型ショットキーバリアダイオードを冷却するものであり、
   前記電波伝送線路は、前記第１誘電体基板の前記第１主面の少なくとも一部上に配置される第１電波伝送線路および第２電波伝送線路を含み、
   前記接地導体は、前記第１誘電体基板の前記第２主面上に配置される第１接地導体と、前記第２誘電体基板の前記第３主面上に配置される第２接地導体と、前記第１接地導体と前記第２接地導体とを電気的に接続する導電接合体と、を含み、
   前記縦型ショットキーバリアダイオードは、第１主面部と第２主面部とを含み、前記第２誘電体基板の前記第３主面上に配置される前記第２接地導体の一部上に、前記縦型ショットキーバリアダイオードの前記第２主面部が電気的に接続するように配置され、前記縦型ショットキーバリアダイオードの前記第１主面部が前記第１電波伝送線路に電気的に接続される、無線電力受電装置。
2. 前記第２誘電体基板は、その抵抗率が１×１０⁴Ωｍ以上であり、その熱伝導率が１７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上である請求項１に記載の無線電力受電装置。
3. 前記第２誘電体基板は、ＩＩＩ族窒化物、炭化ケイ素およびダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成されている請求項１または請求項２に記載の無線電力受電装置。
4. 前記冷却体は、板状およびフィン状からなる群から選ばれる少なくとも１種類の形状である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線電力受電装置。
5. 前記冷却体は、ペルチェ効果を有する構造体で形成されている請求項１に記載の無線電力受電装置。
6. 前記縦型ショットキーバリアダイオードは、ＩＩＩ族窒化物および炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料で形成されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の無線電力受電装置。