JPWO2016113949A1

JPWO2016113949A1 - 給電装置

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Publication number: JPWO2016113949A1
Application number: JP2016569221A
Authority: JP
Inventors: 英晃小林
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: WO2016113949A1; JP6315109B2

Abstract

電磁界共鳴結合を利用して受電装置へ給電する給電装置（１）は、入力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（１３）と、インバータ（１３）の出力側に接続され、受電装置が備える外部共振回路と同じ共振周波数の（ＬＣ）直列共振回路（１４）とを備える。ＬＣ直列共振回路（１４）は、複数のインダクタンス成分（Ｌ１〜Ｌ５）及び複数のキャパシタ（Ｃ１〜Ｃ５）が交互に直列に接続されている。これにより、給電効率を低下させない給電装置を提供する。

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。

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。

特開２０１３−８５３５０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本実施形態に係る給電装置の構成を示す図本実施形態に係る給電装置の回路図ＬＣ直列共振回路において浮遊容量が形成される位置を示す図（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、（Ｂ）は、（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給電装置の別の例の回路図

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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、
給電装置。
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、
請求項１に記載の給電装置。
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、
請求項１又は２に記載の給電装置。