JPWO2015137430A1

JPWO2015137430A1 - ワイヤレス給電装置

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Publication number: JPWO2015137430A1
Application number: JP2016507813A
Authority: JP
Inventors: 史生吉田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: US20160372979A1; JP6090528B2; CN206004419U; WO2015137430A1

Abstract

空間的に離れた場所にある受電装置に磁界を介して給電するワイヤレス給電装置であって、絶縁体からなる基板（１０）に形成された、インダクタンスを有する給電用のループ状導体（１１）と、直流電圧を入力し、交流電圧に変換してループ状導体（１１）に印加するインバータ回路（１３）と、ループ状導体（１１）の一端とインバータ回路（１３）の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタ（１２）と、を有し、ループ状導体（１１）は、基板（１０）の面内における給電範囲の周囲を囲い、且つ少なくとも一部が給電範囲の周囲より内側に凹む凹部（Ｄ）を有し、全長が給電範囲の周囲長よりも長い。インバータ回路（１３）から供給される電力はループ状導体に流れる電流によって生じる磁界を介して受電装置へ給電される。

Description

本発明は、受電装置へワイヤレスで給電するワイヤレス給電装置に関するものである。

近年、近距離無線通信システムが拡大し、種々の装置がワイヤレスで独立使用される状況が増えている。これに伴い、電力についても近距離でワイヤレス給電する技術が注目されている。

近距離無線通信システム関係の文献として、ループアンテナの構造で折り返し形状の平面アンテナを用いた無線ＩＣタグが特許文献１に示されている。また、通信対象の姿勢に関わらず通信不能領域をなくすように工夫された無線通信アンテナが特許文献２に示されている。

一方、近距離給電関係の文献として、一部を順次重ねた複数のコイルを配置して、送電装置の送電部と受電装置の受電部との位置合わせを容易にした電力伝送システムの構成が特許文献３に示されている。

特開２００６−１８００４３号公報特開２００５−２２３４０２号公報国際公開第２０１３／０５４３９９号パンフレット

磁界結合によりワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムの基本的な構成は、給電装置側と受電装置側のいずれにもループ状導体を設け、互いのループ内を磁束が抜ける関係で、ループ状導体同士を近接させるものである。但し、送電装置の送電部と受電装置の受電部との位置関係が固定されている場合には、一定の結合係数で磁界結合させてワイヤレス給電することが可能であるが、送電部に対して受電部の位置が変動しても給電を行う必要がある場合には、送電部のループ状導体を受電部のループ状導体より大きくすることになる。

ところが、送電部のループ状導体のループ開口径を大きくする程、そのループ開口内における磁界強度分布は不均一になる。すなわちループ開口内の中央に近いほど磁界は弱い。そのため、送電部のループ状導体のループ開口内における受電部の位置に応じて結合係数が変化し、安定した電力給電ができなくなる。この課題は特許文献１〜３に示されている構造では解消されない。

本発明の目的は、受電部の位置が変位する場合でも、送電部への給電電力を安定化できるようにしたワイヤレス給電装置を提供することにある。

本発明のワイヤレス給電装置は、空間的に離れた場所にある受電装置に磁界を介して給電するワイヤレス給電装置であって、
絶縁体からなる基板に形成された、インダクタンスを有する給電用のループ状導体と、
直流電圧を入力し、交流電圧に変換して前記ループ状導体に印加するインバータ回路と、
前記ループ状導体の一端と前記インバータ回路の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタと、を有し、
前記ループ状導体は、前記基板の面内における給電範囲の周囲を囲い、且つ少なくとも一部が前記周囲より内側に凹む凹部を有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長く、
前記インバータ回路から供給される電力を前記ループ状導体に流れる電流によって生じる磁界を介して前記受電装置へ給電することを特徴としている。

この構成により、ループ状導体の形成範囲による給電範囲内における磁界強度の分布が比較的均一化され、受電装置の位置が変位する場合でも、給電電力は安定化される。

前記ループ状導体はミアンダ形状であり、ループ状導体のうち、互いに並行する導体の間隔は導体の線幅よりも大きいことが好ましい。この構造により、隣接する導体パターン同士の間隙が相対的に広くなって、磁束が通る実質的な開口範囲が広がり、受電装置のループ状導体との結合係数が高まる。

前記ループ状導体は、第１のミアンダ形状部と第２のミアンダ形状部を備え、第１のミアンダ形状部は、第１の長経路部と第１の短経路部の組合せからなり、第２のミアンダ形状部は、第２の長経路部と第２の短経路部の組合せからなり、第１の長経路部および第２の長経路部のうち、それらを流れる電流の向きが同じである長経路部同士が近接していることが好ましい。この構成により、電流量あたりの発生する磁束を高めることができる。

前記第１の短経路部もしくは第２の短経路部の少なくとも一部、または第１の長経路部もしくは第２の長経路部の少なくとも一部は、基板の互いに異なる面に形成されていることが好ましい。この構成により、基板の同一面での導体パターンの交差が回避でき、導体パターンの形成が容易になる。

前記第１の長経路部および前記第２の長経路部の長さは同じであることが好ましい。このことにより、磁界強度分布がより均一となる。

本発明によれば、ループ状導体の形成範囲による給電範囲内における磁界強度の分布が比較的均一化され、受電装置の位置が変位する場合でも、給電電力は安定化される。

図１（Ａ）は第１の実施形態に係るワイヤレス給電装置の構成図、図１（Ｂ）はワイヤレス給電装置に対する受電アンテナの位置関係を示す図である。図２は、インバータ回路１３の構成を示す図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、第１の実施形態の別のワイヤレス給電装置の構成図である。図４は第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０２の構成図である。図５（Ａ）はループ状導体１１のうちミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す平面図である。図６（Ａ）はループ状導体１１のうちミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す別の平面図である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、給電用ループ状導体１１の線間と受電アンテナのループ状導体との大きさの関係を示す図である。図８は第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置のループ状導体の形状を示す図である。図９は第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０４の構成図である。図１０（Ａ）はループ状導体１１のうちミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す平面図である。図１０（Ｂ）は上記ミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す正面図である。

本発明は、例えばマウスとマウスパッドのように、平面上で位置自由度が求められるシステムに好適である。以降に示す各実施形態において、マウスにワイヤレス給電を行う場合、ワイヤレス給電装置は例えばマウスパッドに設けられ、受電アンテナは例えばマウスに設けられる。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るワイヤレス給電装置の構成図、図１（Ｂ）はワイヤレス給電装置に対する受電アンテナの位置関係を示す図である。

本実施形態のワイヤレス給電装置は、空間的に離れた場所にある受電装置に磁界を介して給電する装置である。図１（Ａ）に表れているように、ワイヤレス給電装置１０１は、給電用のループ状導体１１が形成された絶縁体からなる基板１０、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、およびキャパシタ１２を備えている。キャパシタ１２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。

ループ状導体１１は、基板１０の面内における給電範囲の周囲を囲んでいる。また、ループ状導体１１は、一部が周囲より内側に凹む凹部Ｄを有し、全長が給電範囲の周囲長よりも長い。また、ループ状導体１１は、そのうち、互いに並行する導体の間隔が導体の線幅よりも大きい。

ループ状導体１１はインダクタンスを有し、このインダクタンスとキャパシタ１２のキャパシタンスとで共振するＬＣ共振回路が構成されている。インバータ回路１３は直流電源９の直流電圧を入力し、ＬＣ共振回路の共振周波数と等しい周波数の高周波電流を供給する。これにより、ループ状導体１１に流れる電流によって磁界が発生する。

図１（Ｂ）においては、ワイヤレス給電装置１０１に対する受電アンテナ２００の載置位置を示すために、複数の受電アンテナ２００を示している。受電アンテナ２００が位置Ｐ１にあるとき、この受電アンテナ２００近傍の給電用ループ状導体１１に流れる電流による磁界で、その受電アンテナ２００に矢印で示す電流が誘導される。受電アンテナ２００が位置Ｐ２，Ｐ３にあっても、同様に受電アンテナ２００近傍の給電用ループ状導体１１に流れる電流による磁界で、その受電アンテナ２００に矢印で示す電流が誘導される。位置Ｐ４に受電アンテナ２００があるとき、受電アンテナ２００はトポロジー的にはループ状導体１１のループ外に位置することになるが、この位置であっても、受電アンテナ２００近傍の給電用ループ状導体１１に流れる電流による磁界で、その受電アンテナ２００に矢印で示す電流が誘導される。

このようにして、ループ状導体１１に凹部Ｄが形成されていることにより、給電範囲（ループ状導体１１の外形を囲む範囲）内における磁界強度は均一化される。受電アンテナ２００がワイヤレス給電装置１０１の給電範囲内であれば、ワイヤレス給電装置１０１から受電アンテナ２００へ電力が給電される。

なお、受電アンテナ２００が給電用ループ状導体１１の導体パターン上にあって、受電アンテナ２００のループ状導体を二分する位置に給電用ループ状導体１１の導体パターンがあるとき、受電アンテナ２００のループ状導体を双方方向に通過する磁束で、その受電アンテナ２００のループ状導体に誘導される電流が相殺される。しかし、そのような条件となる給電範囲内での位置は少ない。

図２は、上記インバータ回路１３の構成を示す図である。ここではワイヤレス給電装置全体の回路を表している。インバータ回路１３はハイサイドスイッチＱ１、ローサイドスイッチＱ２、これらをオン・オフ制御するコントローラ／ドライバ回路を備えている。コントローラ／ドライバ回路はハイサイドスイッチＱ１およびローサイドスイッチＱ２を上記ＬＣ共振回路の共振周波数で交互にオン・オフする。これにより共振型インバータ回路を構成している。

図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第１の実施形態の別のワイヤレス給電装置の構成図である。図３（Ａ）の例では、給電用のループ状導体１１の凹部Ｄの奥部が拡がっている。凹部Ｄはこのような形状であってもよい。図３（Ｂ）の例では、給電用のループ状導体１１に２つの凹部Ｄ１，Ｄ２が形成されている。このように凹部は複数あってもよい。図３（Ｃ）の例では、給電用のループ状導体１１の凹部Ｄが奥部で渦を巻いている、または蛇行している。このような形状であっても、ループ状導体１１のうち互いに隣接する導体パターン間の間隔が広がりすぎることがないので、給電範囲内における磁界強度は均一化される。

《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０２の構成図である。このワイヤレス給電装置１０２は、給電用のループ状導体１１が形成された絶縁体からなる基板１０を備えている。図４に表れているように、ループ状導体１１はミアンダ形状部を備えている。その他の構成は第１の実施形態で示したとおりである。

上記給電用ループ状導体１１のミアンダ形状部は、長経路部１１Ｌと短経路部１１Ｓの組合せからなる。

図５（Ａ）は上記ループ状導体１１のうちミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す平面図である。図５（Ｂ）はその正面図である。

受電アンテナ２００は、受電用ループ状導体２１、キャパシタ２２および受電回路２３で構成されている。受電用ループ状導体２１とキャパシタ２２とでＬＣ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、および給電装置側のＬＣ共振回路の共振周波数に等しい。図５（Ａ）において、クロス記号およびドット記号は給電用ループ状導体１１に流れる電流により生じる磁界の方向を表している。この例では、受電アンテナ２００の受電用ループ状導体２１が形成するコイル開口内に、平面視で２本の長経路部１１Ｌが入る。そのため、受電用ループ状導体２１は２本の長経路部１１Ｌによる磁束と鎖交して強く結合する。

図６（Ａ）は上記ループ状導体１１のうちミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す別の平面図である。図６（Ｂ）はその正面図である。この例では、受電用ループ状導体２１の中心が１本の長経路部１１Ｌに重なるように受電アンテナ２００が配置されている。そのため、受電アンテナ２００のループ状導体を双方方向に通過する磁束で、その受電アンテナ２００のループ状導体に誘導される電流が相殺される。しかし、この例のように完全に相殺されるような条件となる位置は少ない。

図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、給電用ループ状導体１１の線間と受電アンテナのループ状導体との大きさの関係を示す図である。図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、給電用ループ状導体１１の長経路部１１Ｌの線間をｗ、受電アンテナ２００の受電用ループ状導体の幅をｔで表すと、図７（Ａ）は、ｔ＝ｗの例、図７（Ｂ）はｔ＜ｗの例、図７（Ｃ）はｔ＝２ｗの例である。図７（Ａ）の関係であると、２本の長経路部１１Ｌが受電アンテナの受電用ループ状導体の２辺と重なる状態で最も結合係数が高まる。図７（Ｃ）の関係であると、受電アンテナ２００がＸ軸方向のどこにあっても、受電アンテナの受電用ループ状導体の開口と鎖交する磁束は正負同量となって、結合係数は０となる。ｔ＞２ｗの場合も同様である。図７（Ｂ）の関係であると、図７（Ａ）に比べて小さな結合係数となる。そのため、ｗ≦ｔ＜２ｗの関係で、ミアンダ形状部の長経路部１１Ｌの線間を定める。

《第３の実施形態》
図８は第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置のループ状導体の形状を示す図である。ループ状導体１１は、中央で折り返したミアンダ形状部を備えている。このように複数の位置でミアンダ形状部を形成してもよい。

《第４の実施形態》
図９は第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０４の構成図である。給電用ループ状導体１１のパターンはミアンダ形状であるが、図４に示したパターンとは異なる。

ループ状導体１１は、第１のミアンダ形状部１１Ｍ１と第２のミアンダ形状部１１Ｍ２を備えている。第１のミアンダ形状部１１Ｍ１は、第１の長経路部１１Ｌ１と第１の短経路部１１Ｓ１の組合せからなり、第２のミアンダ形状部１１Ｍ２は、第２の長経路部１１Ｌ２と第２の短経路部１１Ｓ２の組合せからなる。図９において矢印で示すように、第１の長経路部１１Ｌ１および第２の長経路部１１Ｌ２のうち、それらを流れる電流の向きが同じである長経路同士が近接している。この構成により、電流量あたりの発生する磁束を高めることができる。また、第１の長経路部１１Ｌ１および第２の長経路部１１Ｌ２の長さは同じである。このことにより、磁界強度分布の均一な範囲が広くなる。

図１０（Ａ）は上記ループ状導体１１のうちミアンダ形状部の一部と受電アンテナとの結合について示す平面図である。図１０（Ｂ）はその正面図である。

図１０（Ｂ）において、クロス記号およびドット記号は給電用ループ状導体１１に流れる電流により生じる磁界の方向を表している。この例では、２本の長経路部１１Ｌ１，１１Ｌ２の組と、これに隣接する２本の長経路部１１Ｌ１，１１Ｌ２の組との間隙が、受電アンテナ２００の受電用ループ状導体２１が形成するコイル開口と平面視で重なる。そのため、受電用ループ状導体２１は４本の長経路部１１Ｌによる磁束と鎖交して強く結合する。

なお、図１０（Ｂ）に示すように、短経路部の一部は、基板１０の互いに異なる面に形成されている、この構成により、基板の同一面での導体パターンの交差が回避でき、導体パターンの形成が容易になる。同様に、長経路部の一部が基板１０の互いに異なる面に形成されていてもよい。

Ｄ，Ｄ１，Ｄ２…凹部
Ｐ１〜Ｐ４…受電アンテナの位置
Ｑ１…ハイサイドスイッチ
Ｑ２…ローサイドスイッチ
ｗ…線間
９…直流電源
１０…基板
１１…給電用ループ状導体
１１Ｌ…長経路部
１１Ｌ１…第１の長経路部
１１Ｌ２…第２の長経路部
１１Ｍ１…第１のミアンダ形状部
１１Ｍ２…第２のミアンダ形状部
１１Ｓ…短経路部
１１Ｓ１…第１の短経路部
１１Ｓ２…第２の短経路部
１２…キャパシタ
１３…インバータ回路
２１…受電用ループ状導体
２２…キャパシタ
２３…受電回路
１０１，１０２，１０４…ワイヤレス給電装置
２００…受電アンテナ

本発明のワイヤレス給電装置は、空間的に離れた場所にあり、受電用ループ状導体を有する受電装置に磁界を介して給電するワイヤレス給電装置であって、
絶縁体からなる基板に形成された、インダクタンスを有する給電用のループ状導体と、
直流電圧を入力し、交流電圧に変換して前記ループ状導体に印加するインバータ回路と、
前記ループ状導体の一端と前記インバータ回路の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタと、を有し、
前記ループ状導体は、前記基板の面内における給電範囲の周囲を囲い、且つ少なくとも一部が前記周囲より内側に凹む凹部を有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長く、
前記ループ状導体のうち、並行する導体部分に流れる電流の向きは互いに逆であり、前記並行する導体部分の間隔は前記受電用ループ状導体の幅以上であり、
前記ループ状導体に流れる電流によって生じる磁界を介して、前記インバータ回路から供給される電力を前記受電装置へ給電することを特徴としている。

本発明のワイヤレス給電装置は、空間的に離れた場所にあり、コイル開口を有する受電用ループ状導体を備える受電装置に、磁界を介して給電するワイヤレス給電装置であって、
絶縁体からなる基板に形成された、インダクタンスを有する給電用ループ状導体と、
直流電圧を入力し、交流電圧に変換して前記給電用ループ状導体に印加するインバータ回路と、
前記給電用ループ状導体の一端と前記インバータ回路の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタと、を有し、
前記給電用ループ状導体は、前記基板の面内における給電範囲の周囲を囲い、且つ少なくとも一部が前記周囲より内側に凹む凹部を有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長く、
前記給電用ループ状導体のうち、並行する導体部分に流れる電流の向きは互いに逆であり、前記並行する導体部分の間隔は前記受電用ループ状導体のコイル開口の幅以上であり、
前記受電用ループ状導体は、前記コイル開口が前記基板に対向するように、前記基板に載置され、
前記給電用ループ状導体に流れる電流によって生じる磁界を介して、前記インバータ回路から供給される電力を前記受電装置へ給電することを特徴としている。

Claims

空間的に離れた場所にある受電装置に磁界を介して給電するワイヤレス給電装置であって、
絶縁体からなる基板に形成された、インダクタンスを有する給電用のループ状導体と、
直流電圧を入力し、交流電圧に変換して前記ループ状導体に印加するインバータ回路と、
前記ループ状導体の一端と前記インバータ回路の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタと、を有し、
前記ループ状導体は、前記基板の面内における給電範囲の周囲を囲い、且つ少なくとも一部が前記周囲より内側に凹む凹部を有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長く、
前記ループ状導体に流れる電流によって生じる磁界を介して、前記インバータ回路から供給される電力を前記受電装置へ給電するワイヤレス給電装置。
前記ループ状導体はミアンダ形状であり、
前記ループ状導体のうち、互いに並行する導体の間隔は、前記導体の線幅よりも大きい、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
前記ループ状導体は、第１のミアンダ形状部と第２のミアンダ形状部を備え、
第１のミアンダ形状部は、第１の長経路部と第１の短経路部の組合せからなり、
第２のミアンダ形状部は、第２の長経路部と第２の短経路部の組合せからなり、
第１の長経路部および第２の長経路部のうち、それらを流れる電流の向きが同じである長経路部同士が近接している、請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
前記第１の短経路部もしくは前記第２の短経路部の少なくとも一部、または前記第１の長経路部もしくは前記第２の長経路部の少なくとも一部は、前記基板の互いに異なる面に形成されている、請求項３に記載のワイヤレス給電装置。
前記第１の長経路部および前記第２の長経路部の長さは同じである、請求項３または４に記載のワイヤレス給電装置。