JPWO2020066081A1

JPWO2020066081A1 - ワイヤレス給電システム

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Publication number: JPWO2020066081A1
Application number: JP2020547930A
Authority: JP
Inventors: 崇浩長井; 達也細谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2021-06-03
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Abstract

ワイヤレス給電システムは、スイッチング回路を用いて直流電力を高周波電力に変換する高周波電力変換回路と、送電コイル（１０）と、電界シールド部材（３０）と、を備えた送電装置を備え、電界シールド部材（３０）は、導通性のある部材を用い、送電動作の際には、送電コイル（１０）との間において電界結合により等価容量を形成し、当該等価容量が送電コイル（１０）と大地との間に形成する等価容量よりも大きな値となる構造にて送電コイル（１０）と接近して配置され、送電装置は、送電コイル（１０）に高周波電流が流れて発生する電磁界の変化による空間での多様な電位の分布にも関わらず、導通性のある部材によって、電界シールド部材（３０）での電位を同電位にして、送電コイル（１０）近傍での電界の変化を抑制して、電界ノイズの放射を抑制する。

Description

本発明は、送電装置から受電装置にワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムに関する。

従来のワイヤレス給電システムとして、例えば、特許文献１に記載された非接触充電装置がある。当該非接触充電装置は、第一コイル、電源供給ユニット、定置部および静電シールドを備える。第一コイルは電源供給ユニットに接続される。定置部には、非接触充電される電子装置が置かれる。静電シールドは定置部と第一コイルとの間に配置される。非接触充電装置は、第一コイルと電子装置の第二コイルとの電磁界結合を介して電子装置に非接触充電を行う。静電シールドは、非接触充電時に発生する電波を抑制する。

特開２０１４−１３８５５１号公報

ワイヤレス給電システムにおいては、送電装置に設けられるスイッチング回路だけでなく、このスイッチング回路によって発生する高周波電流が流れる導体部や、高周波電圧が印加される導体部から発生する不要輻射を如何に抑制するかが課題となる。一般に、不要輻射を抑制する様に送電装置を構成すると、送電コイルと受電コイルとの間で形成される磁界結合は小さくなり、ワイヤレス給電動作における電力効率が大きく低下するという課題がある。

発明者等は、所定のワイヤレス給電システムにおいて、送電コイルから発生する基本波の磁界変化が大きい状態を維持しながら、高調波成分による電界ノイズの輻射の抑制が重要であることを見出した。特許文献１に記載の非接触充電装置においては、第一コイルから高調波成分による高調波ノイズが放射される課題が考慮されていない。

本発明の目的は、送電コイルから発生する基本波の磁界変化が大きい状態を保って送電コイルと受電コイルとの間で形成される磁界結合を大きく維持し、高効率なワイヤレス給電動作を実現しながら、生成する電界および磁界による高調波ノイズを抑制できるワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明のワイヤレス給電システムは、スイッチング回路を含み、前記スイッチング回路を用いて直流電力を高周波電力に変換する高周波電力変換回路と、前記高周波電力変換回路の出力に接続される送電コイルと、前記送電コイルから放射される電界ノイズを抑制する電界シールド部材と、を備えた送電装置を備え、前記電界シールド部材は、導通性のある部材を用い、送電動作の際には、前記送電コイルとの間において電界結合により等価容量を形成し、当該等価容量が前記送電コイルと大地との間に形成する等価容量よりも大きな値となる構造にて前記送電コイルと接近して配置され、前記送電装置は、前記送電コイルに高周波電流が流れて発生する電磁界の変化による空間での多様な電位の分布にも関わらず、前記導通性のある部材によって、前記電界シールド部材での電位を同電位にして、前記送電コイル近傍での電界の変化を抑制して、電界ノイズの放射を抑制する。

本発明によれば、送電コイルから発生する基本波の磁界変化が大きい状態を保って送電コイルと受電コイルとの間で形成される磁界結合を大きく維持し、ノイズ発生源の近傍において高調波成分の電界ノイズを抑制する。これらにより、高調波成分による電界および磁界の高調波ノイズを抑制でき、高効率化と低ノイズ化を実現するワイヤレス給電システムが得られる。

図１は送電コイル１０および電界シールド部材３０の斜視図である。図２（Ａ）は送電コイル１０および電界シールド部材３０の平面図である。図２（Ｂ）は送電コイル１０および電界シールド部材３０の側面図である。図３（Ａ）は本実施形態に係る送電装置の回路図である。図３（Ｂ）は本実施形態に係る受電装置の回路図である。図４（Ａ）は、電界ノイズの実測に使用した本実施形態の第１の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図４（Ｂ）は、電界ノイズの実測に使用した本実施形態の第２の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図５は電界シールド部材１７の平面図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、比較例に係る送電装置から放射される電界ノイズの実測結果である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、第１の変形例に係る送電装置から放射される電界ノイズの実測結果である。図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、第２の変形例に係る送電装置から放射される電界ノイズの実測結果である。図９（Ａ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態に係る送電装置の概念図である。図９（Ｂ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態に係る送電装置の等価回路図である。図１０（Ａ）は、ノイズ電流の流れを説明するための比較例に係る送電装置の概念図である。図１０（Ｂ）は、ノイズ電流の流れを説明するための比較例に係る送電装置の等価回路図である。図１１（Ａ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態の第３の変形例に係る送電装置の概念図である。図１１（Ｂ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態の第３の変形例に係る送電装置の等価回路図である。図１２（Ａ）は本実施形態の第４の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図１２（Ｂ）は本実施形態の第５の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図１３（Ａ）は本実施形態の第６の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図１３（Ｂ）は本実施形態の第７の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図１３（Ｃ）は本実施形態の第８の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。図１４（Ａ）は本実施形態の第９の変形例に係る送電装置の主要部を示す断面図である。図１４（Ｂ）は本実施形態の第１０の変形例に係る送電装置の主要部を示す断面図である。図１５は本実施形態の第１１の変形例に係る電界シールド部材３１の平面図である。図１６は本実施形態の第１２の変形例に係る電界シールド部材３２の平面図である。図１７は、本実施形態の第１３の変形例に係る送電装置の回路図である。図１８は、本実施形態の第１４の変形例に係る送電装置の回路図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各々の実施形態では、既に説明した実施形態と異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムについて説明する。本実施形態に係るワイヤレス給電システムは送電装置および受電装置を備える。

当該送電装置は、図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）および図３（Ａ）に示すように、送電コイル１０、高周波電力変換回路１１、直流電源１２および電界シールド部材３０を有する。当該受電装置は、図３（Ｂ）に示すように、受電コイル２０、整流回路２１および負荷回路２２を有する。

図１は送電コイル１０および電界シールド部材３０の斜視図である。図２（Ａ）は送電コイル１０および電界シールド部材３０の平面図である。図２（Ｂ）は送電コイル１０および電界シールド部材３０の側面図である。ここでは、本実施形態に係る送電装置について説明する。図１および図２（Ａ）では、絶縁シート１３の図示を省略している。図２（Ｂ）では、送電コイル１０および電界シールド部材３０に加えて、受電コイル２０も図示している。

送電装置は、送電コイル１０と、送電コイル１０から放射される電界ノイズを抑制する電界シールド部材３０とを有する。

送電コイル１０は、例えば巻回された銅撚線で構成される。図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に図示する送電コイル１０の巻回数は１回であるが、送電コイル１０の巻回数は複数回でもよい。送電コイル１０の両端は、送電共振キャパシタＣｒ（図３（Ａ）参照）を介して高周波電力変換回路１１に接続される。

電界シールド部材３０には、導通性のある部材が用いられる。電界シールド部材３０は、例えば、アルミニウム、銅または鉄で構成されてもよい。電界シールド部材３０は、送電動作の際には（給電時には）、送電コイル１０との間において電界結合により等価容量を形成する構造にて構成される。具体的には、電界シールド部材３０は、平面視において（送電コイル１０のコイル開口面に垂直な方向から見て）、送電コイル１０に対し間歇的に交差する。電界シールド部材３０は略櫛歯状である。電界シールド部材３０は、開ループ形状の導体３０１と、開ループ形状の導体３０１から突出する複数の短冊状の導体３０２とを有する。開ループ形状は、リングの一箇所を切断した形状である。開ループ形状の導体３０１は、平面視で、送電コイル１０の内側を送電コイル１０に沿って延伸している。複数の短冊状の導体３０２は、平面視で、開ループ形状の導体３０１から放射状に突出し、送電コイル１０と交差している（重なっている）。短冊状の導体３０２は開ループ形状の導体３０１の延伸方向に沿って略等間隔に配置されている。開ループ形状の導体３０１および短冊状の導体３０２は略同一平面上に位置する。

本実施形態では、短冊状の導体３０２を送電コイル１０に対向させることで、給電時に、送電コイル１０と電界シールド部材３０と電界結合させ、送電コイル１０と電界シールド部材３０との間に等価容量を形成する。また、複数の短冊状の導体３０２を開ループ形状の導体３０１で接続することで、複数の短冊状の導体３０２の電位を同一にする。

電界シールド部材３０は、高周波電力変換回路１１のグランドに電気的に接続され、高周波電力変換回路１１のグランドと同じ電位を有する。電界シールド部材３０は、開ループ形状の導体３０１から突出して高周波電力変換回路１１のグランドに接続される端子導体３０３を有する。なお、電界シールド部材３０はキャパシタを介して高周波電力変換回路１１のグランドに接続されてもよい。電界シールド部材３０はグランドに接続されなくてもよい。

電界シールド部材３０は、例えば絶縁シート１３を介して、送電コイル１０と対向するように配置される。電界シールド部材３０は、送電コイル１０と、送電コイル１０に対向する受電コイル２０との間に配置される。換言すると、受電コイル２０は給電時に送電コイル１０と対向するように配置される。電界シールド部材３０は、送電コイル１０と、給電時に受電コイル２０を置く位置との間に配置される。送電コイル１０の上側に電界シールド部材３０が配置される。電界シールド部材３０の上側に、給電時に受電コイル２０を置く位置がある。なお、「上側」および「下側」という文言は、一方側と他方側とを区別するための便宜的なものである。

電界シールド部材３０は、送電コイル１０と電界シールド部材３０との間の等価容量が送電コイル１０と大地との間に形成する等価容量よりも大きな値となる構造にて送電コイル１０と接近して配置されることが好ましい。このために、例えば、送電コイル１０および電界シールド部材３０は、送電コイル１０と電界シールド部材３０との距離が送電コイル１０と送電装置の筐体との距離より十分小さくなるように、送電装置の筐体内に配置される。後述するように、送電コイル１０と電界シールド部材３０との間の等価容量が送電コイル１０と大地との間の等価容量よりも大きいことで、コモンモードノイズが効果的に抑制される。

受電コイル２０は、送電動作の際に（給電時に）、送電コイル１０と電界シールド部材３０との間の等価容量が送電コイル１０と受電コイル２０との間の等価容量より大きくなるように配置されることが好ましい。このために、例えば、送電コイル１０と電界シールド部材３０との離間距離は、給電時における送電コイル１０と受電コイル２０との離間距離よりも短くされる。後述するように、送電コイル１０と電界シールド部材３０との間の等価容量が、給電時における送電コイル１０と受電コイル２０との間の等価容量より大きいことで、電界ノイズの受電装置への影響が小さくなる。

図３（Ａ）は本実施形態に係る送電装置の回路図である。高周波電力変換回路１１は、ハイサイドスイッチ素子Ｑ１とローサイドスイッチ素子Ｑ２と、この二つのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を制御するスイッチング制御回路ＣＮＴとを備える。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を有する回路は本発明の「スイッチング回路」の一例である。高周波電力変換回路１１は、直流電源１２を入力電源として動作し、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を用いて直流電力を高周波電力に変換する。直流電源１２と高周波電力変換回路１１との間にはスイッチＳＷが挿入されている。

高周波電力変換回路１１の出力には送電コイル１０が接続されている。送電コイル１０と高周波電力変換回路１１との間には送電共振キャパシタＣｒが接続されている。送電コイル１０と送電共振キャパシタＣｒとは直列接続されて共振回路を構成する。高周波電力変換回路１１はグランドに接続されている。例えば、送電装置の筐体の金属部が高周波電力変換回路１１のグランドになる。

スイッチング制御回路ＣＮＴは、例えば、６ＭＨｚ以上１４ＭＨｚ以下の周波数帯内の所定のスイッチング周波数でスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を、デッドタイムを挟んで交互にスイッチングする。送電コイル１０と送電共振キャパシタＣｒによる共振回路は上記スイッチング周波数で共振動作する。つまり、当該共振回路の共振周波数はスイッチング周波数に実質的に等しい。これにより、送電コイル１０から、スイッチング周波数を有する高周波磁界が発生され、受電装置へワイヤレスで電力が送電される。

送電コイル１０は、受電コイル２０の相似形状を有することが好ましい。このことにより、送電コイル１０と受電コイル２０との磁界結合を効果的に高めることができ、高い電力伝送効率が得られる。

上記のようにスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が交互にスイッチングされることで、送電コイル１０に高周波電流が流れる。送電コイル１０に高周波電流が流れて発生する電磁界の変化により、送電コイル１０の周囲の空間に多様な電位の分布が生じる。しかし、送電装置は、導通性のある電界シールド部材３０によって、電界シールド部材３０での電位を同電位にして、送電コイル１０近傍での電界の変化を抑制して、電界ノイズの放射を抑制する。

スイッチング周波数については、例えば、ISM（Industry Science Medical）バンドである6.78MHzに設定し、送電コイル１０に高周波電流が流れて発生する電磁界の変化を6.78MHzとしてもよいし、ISMバンドである13.56MHzに設定し、送電コイル１０に高周波電流が流れて発生する電磁界の変化を13.56MHzとしてもよい。国際的な規格に基づくISM周波数を用いることにより、本実施形態に係るワイヤレス給電システムと通信機器との混信が許容される。

図３（Ｂ）は本実施形態に係る受電装置の回路図である。受電装置は、上記のように、受電コイル２０、整流回路２１および負荷回路２２を有する。受電コイル２０は送電コイル１０に対して電磁界結合を形成する。この電磁界結合では磁界結合が支配的である。この磁界結合を介して、送電コイル１０から受電コイル２０に電気エネルギーが印加される。負荷回路２２は整流回路２１を介して受電コイル２０に接続されている。

受電コイル２０と整流回路２１との間には受電共振キャパシタＣｒｓが接続されている。受電コイル２０と受電共振キャパシタＣｒｓとは直列接続されて共振回路を構成する。

整流回路２１は整流ダイオードＤ１，Ｄ２および平滑キャパシタＣ１とで構成されている。整流回路２１は倍電圧整流回路である。整流回路２１は、受電コイル２０と受電共振キャパシタＣｒｓとで構成される共振回路の起電力を整流平滑し、負荷回路２２へ直流電力を供給する。

受電コイル２０と受電共振キャパシタＣｒｓとで構成される共振回路は、送電装置の送電コイル１０に発生する高周波磁界の振動周波数で共振動作する。受電コイル２０は上記送電装置の送電コイル１０と磁界結合して、受電コイル２０に、送電コイル１０が発生する高周波磁界の振動周波数と同じ周波数の電流が流れる。これにより、共振回路の起電力が整流回路２１で整流平滑され、負荷回路２２へ直流電力が供給される。

図４（Ａ）は、電界ノイズの実測に使用した本実施形態の第１の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第１の変形例では、送電コイル１０の下側にスペーサ１５を介して磁性体シート１４が配置される。磁性体シート１４の下面には電界シールド部材１７が配置される。なお、「上面」および「下面」という文言は、一方側の主面と他方側の主面とを区別するための便宜的なものである。

図５は電界シールド部材１７の平面図である。電界シールド部材１７は、十字形状のスリットが形成された略正方形状の金属箔である。電界シールド部材１７は高周波電力変換回路１１のグランドに接続される。

なお、電界シールド部材１７のような形状を有する電界シールド部材もまた本発明の「電界シールド部材」の一例である。

図４（Ｂ）は、電界ノイズの実測に使用した本実施形態の第２の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第２の変形例では、送電コイル１０の上側に絶縁シート１３Ａを介して電界シールド部材３０Ａが配置される。送電コイル１０の下側に絶縁シート１３Ｂを介して電界シールド部材３０Ｂが配置される。電界シールド部材３０Ｂの下側にスペーサ１５を介して磁性体シート１４が配置される。磁性体シート１４の下面には電界シールド部材１７が配置される。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、比較例に係る送電装置から放射される電界ノイズの実測結果である。比較例に係る送電装置には電界シールド部材が設けられていない。他の構成は本実施形態に係る送電装置と同様である。

図６（Ａ）は送電コイル１０の開口面に平行な方向の電界の成分を示す。図６（Ｂ）は送電コイル１０の開口面に垂直な方向の電界の成分を示す。以降、便宜的に、送電コイル１０の開口面に平行な方向の電界の成分を電界の水平成分と称する。送電コイル１０の開口面に垂直な方向の電界の成分を電界の垂直成分と称する。

比較例では、６次、８次および１０次の高調波の水平および垂直成分が４０ｄＢμＶ／ｍ以上であり、６次、８次および１０次の高調波による電界ノイズが大きいことがわかる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、第１の変形例に係る送電装置から放射される電界ノイズの実測結果である。図７（Ａ）は電界の水平成分を示す。図７（Ｂ）は電界の垂直成分を示す。第１の変形例では、６次、８次および１０次の高調波の水平および垂直成分が４０ｄＢμＶ／ｍ未満であり、６次、８次および１０次の高調波による電界ノイズが抑制されることがわかる。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、第２の変形例に係る送電装置から放射される電界ノイズの実測結果である。図８（Ａ）は電界の水平成分を示す。図８（Ｂ）は電界の垂直成分を示す。第２の変形例でも、６次、８次および１０次の高調波の水平および垂直成分が４０ｄＢμＶ／ｍ未満であり、６次、８次および１０次の高調波による電界ノイズが抑制されることがわかる。

本実施形態では、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が交互にスイッチングされることで、送電コイル１０に高周波電流が流れる。送電コイル１０に高周波電流が流れて発生する電磁界の変化により、送電コイル１０の周囲の空間に多様な電位の分布が生じる。特に、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する際、電流波形が歪むので、高調波電流が発生する。送電コイル１０に高調波電流が流れることで、高調波成分による高調波ノイズが発生する。しかし、送電装置は、導通性のある電界シールド部材３０によって、電界シールド部材３０での電位を同電位にして、送電コイル１０近傍での電界の変化を抑制して、電界ノイズの放射を抑制する。

これにより、送電コイル１０から発生する基本波の磁界変化が大きい状態を保って送電コイル１０と受電コイル２０との間で形成される磁界結合を大きく維持し、ノイズ発生源の近傍において高調波成分の電界ノイズを抑制する。これらの結果、高調波成分による電界および磁界の高調波ノイズを抑制でき、高効率化と低ノイズ化を実現するワイヤレス給電システムが得られる。

また、送電コイル１０のインダクタンスは、電界シールド部材３０によっては低下しないので、送電コイル１０のＱ値の低下が抑制される。

また、電界シールド部材３０は、線状部分から構成され、かつ、閉ループ形状ではない。その結果、電界シールド部材３０には、高周波磁界による渦電流が殆ど発生しない。即ち、電界シールド部材３０は、高周波磁界による送電コイル１０と受電コイル２０との磁界結合に大きな影響を与えない。このため、給電電力の低下が抑制されるので、さらに高効率なワイヤレス給電が実現される。

また、上記のように、電界シールド部材３０はアルミニウムで構成されてもよい。アルミニウムは導電性を有するが、アルミニウムと空気との比透磁率の差はほとんどない。このため、アルミニウム製の電界シールド部材３０は、効果的に、高周波磁界への作用を抑制してコイル間の磁界結合を大きくして、主に電界に作用して放射電界を抑制できる。また、アルミニウムは軽いとのメリットがある。

また、上記のように、電界シールド部材３０は鉄で構成されてもよい。鉄は導電性を有し、その比透磁率も高い。このため、鉄製の電界シールド部材３０は、磁界に作用してコイル間の磁界結合を小さくする場合があるが、効果的に、放射電界だけでなく放射磁界も抑制できる。また、鉄は安価とのメリットがある。

また、上記のように、電界シールド部材３０は銅で構成されてもよい。銅は導電性を有するが、その比透磁率は鉄よりも小さい。このため、銅製の電界シールド部材３０は、鉄製の電界シールド部材３０に比べて、高周波磁界への作用を抑制してコイル間の磁界結合を大きくして、主に電界に作用して放射電界を抑制できる。

上記のように、送電装置の送電コイル１０は給電時に電界ノイズを発生させる。このことは、等価的に、ノイズ電流がノイズ源から出力されて等価容量（浮遊容量）を介してノイズ源に帰還することを意味する。次に、ノイズ電流の観点から、電界ノイズおよびコモンモードノイズの抑制について説明する。

図９（Ａ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態に係る送電装置の概念図である。送電コイル１０と電界シールド部材３０との間には等価容量Ｃshdが形成される。送電コイル１０と受信アンテナ４０との間には等価容量Ｃantが形成される。受信アンテナ４０は、電界を観測するためのアンテナであり、電界を観測する電界観測点に配置される。送電コイル１０と大地１９との間には等価容量Ｃsigが形成される。高周波電力変換回路１１のグランド１８と大地１９との間には等価容量Ｃgndが形成される。インピーダンスＺＬは受信アンテナ４０と大地１９との間の等価インピーダンスである。

図９（Ｂ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態に係る送電装置の等価回路図である。ノイズ源４１は送電コイル１０に対応する。インピーダンスＺｄは送電コイル１０とグランド１８との間の等価インピーダンスである。本実施形態に係る送電装置には、等価容量Ｃshdを介してノイズ電流Ｉp, shdが流れ、等価容量Ｃantを介してノイズ電流Ｉp, nが流れ、等価容量Ｃsigを介してノイズ電流（コモンモード電流）Ｉp, cmが流れる。

図１０（Ａ）は、ノイズ電流の流れを説明するための比較例に係る送電装置の概念図である。図１０（Ｂ）は、ノイズ電流の流れを説明するための比較例に係る送電装置の等価回路図である。比較例に係る送電装置には、等価容量Ｃantを介してノイズ電流Ｉc, nが流れ、等価容量Ｃsigを介してノイズ電流Ｉc, cmが流れる。

本実施形態では、等価容量Ｃshdを介して、換言すると、電界シールド部材３０を介してノイズ電流Ｉp, shdが流れる。このため、本実施形態に係るノイズ電流Ｉp, nは比較例に係るノイズ電流Ｉc, nより減少する。このため、本実施形態では、比較例に比べて、電界観測点における電界ノイズが抑制される。さらに、等価容量Ｃshdは等価容量Ｃantより大きいことが好ましい。これにより、電界観測点における電界ノイズが効果的に抑制される。

上記のように、受電コイル２０は、給電時に、送電コイル１０と電界シールド部材３０との間の等価容量Ｃshdが送電コイル１０と受電コイル２０との間の等価容量より大きくなるように配置されることが好ましい。これにより、給電時に、受電装置に流れるノイズ電流が効果的に抑制される。従って、給電時に、受電装置付近で電界ノイズが抑制されるので、電界ノイズの受電装置への影響が小さくなる。

また、本実施形態ではノイズ電流Ｉp, shdが流れるので、本実施形態に係るノイズ電流Ｉp, cmは比較例に係るノイズ電流Ｉc, cmより減少する。即ち、本実施形態では、比較例に比べて、コモンモードノイズが抑制される。さらに、上記のように、等価容量Ｃshdは等価容量Ｃsigより大きいことが好ましい。これにより、コモンモードノイズが効果的に抑制される。

図１１（Ａ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態の第３の変形例に係る送電装置の概念図である。図１１（Ｂ）は、ノイズ電流の流れを説明するための本実施形態の第３の変形例に係る送電装置の等価回路図である。第３の変形例では、送電コイル１０と大地１９との間に電界シールド部材３０が配置される。送電コイル１０と大地１９との間には等価容量Ｃv, sigが形成される。第３の変形例に係る送電装置には、等価容量Ｃshdを介してノイズ電流Ｉv, shdが流れ、等価容量Ｃantを介してノイズ電流Ｉv, nが流れ、等価容量Ｃv, sigを介してノイズ電流Ｉv, cmが流れる。

送電コイル１０と大地１９との間に電界シールド部材３０が配置されることで、第３の変形例に係る等価容量Ｃv, sigは比較例に係る等価容量Ｃsigより減少する。このため、第３の変形例では、さらにコモンモードノイズが抑制される。

図１２（Ａ）は本実施形態の第４の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第４の変形例では、送電コイル１０の上側ではなく、送電コイル１０の下側に絶縁シート１３を介して電界シールド部材３０が配置される。

図１２（Ｂ）は本実施形態の第５の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第５の変形例では、送電コイル１０の上側に絶縁シート１３Ａを介して電界シールド部材３０Ａが配置される。送電コイル１０の下側に絶縁シート１３Ｂを介して電界シールド部材３０Ｂが配置される。換言すると、複数の電界シールド部材３０Ａ，３０Ｂが設けられ、送電コイル１０は複数の電界シールド部材３０Ａ，３０Ｂの間に配置される。

図１３（Ａ）は本実施形態の第６の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第６の変形例では、送電コイル１０の下側にスペーサ１５を介して磁性体シート１４が配置される。換言すると、第３の変形例に係る送電装置は磁性体シート１４を有し、送電コイル１０は電界シールド部材３０と磁性体シート１４との間に配置される。

送電コイル１０の下側に金属部材がある場合、送電コイル１０で生成される高周波磁界により金属部材に渦電流が発生する。渦電流により電力が消費されることで、給電電力が低下する。第６の変形例では、磁性体シート１４内を通る磁路が形成されることで、磁性体シート１４の下側への高周波磁界の漏洩が抑制される。このため、金属部材に渦電流が発生することが抑制されるので、給電電力の低下が防止される。

図１３（Ｂ）は本実施形態の第７の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第７の変形例では、電界シールド部材３０の下側にスペーサ１５を介して磁性体シート１４が配置される。他の構成は第４の変形例（図１２（Ａ）参照）の構成と同様である。

図１３（Ｃ）は本実施形態の第８の変形例に係る送電装置の主要部を示す側面図である。第８の変形例では、電界シールド部材３０Ｂの下側にスペーサ１５を介して磁性体シート１４が配置される。他の構成は第５の変形例（図１２（Ｂ）参照）の構成と同様である。

図１４（Ａ）は本実施形態の第９の変形例に係る送電装置の主要部を示す断面図である。第９の変形例では、送電コイル４２および電界シールド部材３０が同一の多層基板１６に設けられる。多層基板１６は本発明の「基材」の一例である。

多層基板１６の上面および下面にはスパイラル状の導体パターン４２１，４２２が形成されている。多層基板１６内には層間接続導体（図示せず）が形成されている。導体パターン４２１，４２２が層間接続導体で接続されることで、送電コイル４２が構成される。電界シールド部材３０は多層基板１６の中間層に形成されている。

第９の変形例では、送電コイル４２の導体パターン４２１，４２２を多層基板１６の表面に形成する。このため、送電コイルを多層基板１６の中間層に形成する場合より、送電コイルの線厚を厚くできる。従って、送電コイルを多層基板１６の中間層に形成する場合より、送電コイルのＱ値を高くできる。

なお、用途に応じて、送電コイルおよび電界シールド部材を同一の多層基板に形成し、送電コイルの上側または下側の少なくとも一方に電界シールド部材を配置してもよい。

図１４（Ｂ）は本実施形態の第１０の変形例に係る送電装置の主要部を示す断面図である。第１０の変形例では、導体パターン４２２の下側にスペーサ１５を介して磁性体シート１４が配置される。他の構成は第９の変形例（図１４（Ａ）参照）の構成と同様である。

図１５は本実施形態の第１１の変形例に係る電界シールド部材３１の平面図である。電界シールド部材３１は開ループ形状の導体３１１および複数の短冊状の導体３１２を有する。開ループ形状の導体３１１は、平面視で、送電コイル１０の外側を送電コイル１０に沿って延伸している。短冊状の導体３１２は、平面視で、開ループ形状の導体３１１から内側に向かって突出し、送電コイル１０と交差している。

図１６は本実施形態の第１２の変形例に係る電界シールド部材３２の平面図である。電界シールド部材３２は略ミアンダ形状を有する。電界シールド部材３２は、平面視で、送電コイル１０と交差しながら送電コイル１０に沿って延伸している。

図１７は、本実施形態の第１３の変形例に係る送電装置の回路図である。当該送電装置は高周波電力変換回路５１を備える。高周波電力変換回路５１は、インダクタ素子Ｌ１と、スイッチ素子Ｑ３と、スイッチ素子Ｑ３を制御するスイッチング制御回路ＣＮＴと、を備える。インダクタ素子Ｌ１およびスイッチ素子Ｑ３を有する回路は本発明の「スイッチング回路」の一例である。高周波電力変換回路５１は、直流電源１２を入力電源として動作し、インダクタ素子Ｌ１およびスイッチ素子Ｑ３を用いて直流電力を高周波電力に変換する。

図１８は、本実施形態の第１４の変形例に係る送電装置の回路図である。当該送電装置は高周波電力変換回路５２を備える。高周波電力変換回路５２は、インダクタ素子Ｌ１，Ｌ２と、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４と、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４を制御するスイッチング制御回路ＣＮＴと、を備える。インダクタ素子Ｌ１，Ｌ２およびスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４を有する回路は本発明の「スイッチング回路」の一例である。高周波電力変換回路５２は、直流電源１２を入力電源として動作し、インダクタ素子Ｌ１，Ｌ２およびスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４を用いて直流電力を高周波電力に変換する。

最後に、上記の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。本発明の範囲は、上記の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、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。

Ｃ１…平滑キャパシタ
Ｃant，Ｃgnd，Ｃsig，Ｃv, sig…等価容量
ＣＮＴ…スイッチング制御回路
Ｃｒ…送電共振キャパシタ
Ｃｒｓ…受電共振キャパシタ
Ｃshd…等価容量
Ｄ１，Ｄ２…整流ダイオード
Ｉc, cm，Ｉc, n，Ｉp, cm，Ｉp, n，Ｉp, shd，Ｉv, cm，Ｉv, n，Ｉv, shd…ノイズ電流
Ｌ１，Ｌ２…インダクタ素子
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
ＳＷ…スイッチ
Ｚｄ…インピーダンス
ＺＬ…インピーダンス
１０，４２…送電コイル
１１，５１，５２…高周波電力変換回路
１２…直流電源
１３，１３Ａ，１３Ｂ…絶縁シート
１４…磁性体シート
１５…スペーサ
１６…多層基板
１７…電界シールド部材
１８…グランド
１９…大地
２０…受電コイル
２１…整流回路
２２…負荷回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３１，３２…電界シールド部材
４０…受信アンテナ
４１…ノイズ源
３０１，３０２，３１１，３１２…導体
３０３…端子導体
４２１，４２２…導体パターン

Claims

スイッチング回路を含み、前記スイッチング回路を用いて直流電力を高周波電力に変換する高周波電力変換回路と、前記高周波電力変換回路の出力に接続される送電コイルと、前記送電コイルから放射される電界ノイズを抑制する電界シールド部材と、を備えた送電装置を備え、
前記電界シールド部材は、導通性のある部材を用い、送電動作の際には、前記送電コイルとの間において電界結合により等価容量を形成し、当該等価容量が前記送電コイルと大地との間に形成する等価容量よりも大きな値となる構造にて前記送電コイルと接近して配置され、
前記送電装置は、前記送電コイルに高周波電流が流れて発生する電磁界の変化による空間での多様な電位の分布にも関わらず、前記導通性のある部材によって、前記電界シールド部材での電位を同電位にして、前記送電コイル近傍での電界の変化を抑制して、電界ノイズの放射を抑制する、ワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は前記高周波電力変換回路のグランドに電気的に接続される、請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、開ループ形状の導体と、前記開ループ形状の導体から突出する複数の短冊状の導体とを有する、請求項１または２に記載のワイヤレス給電システム。
前記送電コイルに対して電磁界結合を形成する受電コイルと、前記受電コイルに接続される負荷回路と、を備える、請求項１から３の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、前記送電コイルと、対向する前記受電コイルとの間に配置される、請求項４に記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は複数設けられ、
前記送電コイルは前記複数の電界シールド部材の間に配置される、請求項１から５の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記送電装置は磁性体シートをさらに有し、
前記送電コイルは前記電界シールド部材と前記磁性体シートとの間に配置される、請求項１から６の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記送電コイルおよび前記電界シールド部材は同一の基材に設けられる、請求項１から７の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、アルミニウムで構成される、請求項１から８の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、銅で構成される、請求項１から８の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、鉄で構成される、請求項１から８の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
スイッチング回路を含み、前記スイッチング回路を用いて直流電力を高周波電力に変換する高周波電力変換回路と、前記高周波電力変換回路の出力に接続される送電コイルと、前記送電コイルから放射される電界ノイズを抑制する電界シールド部材と、を有する送電装置と、
前記送電コイルから電気エネルギーが印加される受電コイルと、前記受電コイルに接続される負荷回路と、を有する受電装置と、を備え、
前記受電コイルは、送電動作の際に、前記送電コイルと前記電界シールド部材との間の等価容量が前記送電コイルと前記受電コイルとの間の等価容量より大きくなるように配置される、ワイヤレス給電システム。
前記送電コイルと前記電界シールド部材との離間距離が、前記送電コイルと前記受電コイルとの離間距離よりも短い、請求項１２に記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、平面視において、前記送電コイルに対し間歇的に交差する、請求項１２または１３に記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は、開ループ形状の導体と、前記開ループ形状の導体から突出する複数の短冊状の導体とを有する、請求項１４に記載のワイヤレス給電システム。
前記電界シールド部材は略ミアンダ形状を有する、請求項１４に記載のワイヤレス給電システム。
前記送電動作において、スイッチング周波数をISMバンドである6.78MHzに設定し、前記送電コイルに高周波電流が流れて発生する電磁界の変化を6.78MHzとする、請求項１から１６の何れかに記載のワイヤレス給電システム。
前記送電動作において、スイッチング周波数をISMバンドである13.56MHzに設定し、前記送電コイルに高周波電流が流れて発生する電磁界の変化を13.56MHzとする、請求項１から１６の何れかに記載のワイヤレス給電システム。