JP2009169327A - 電力伝送回路 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量の変動による受信側の電圧変動を抑制して、表示パネル内の負荷電流の変動への影響を防止した容量接続型電力伝送回路を提供する。
【解決手段】送信側基板１００と表示パネル２００の基板にそれぞれ形成した静電結合用電極３Ａ，３Ｂと１３Ａ，１３Ｂで表示パネルの絶縁基板２０１を挟んで静電容量を構成し、その容量を介して非接触伝送路を構成して表示パネル側の電極で得た交流電圧信号をダイオードで構成した整流回路１１で整流する。さらに抵抗と複数のダイオードを直列に接続したダイオードアレイで構成されるシャントレギュレータからなる定電圧回路１２を通して、表示パネル２００内での負荷変動に対して安定した電圧を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一方の基板から他方の基板に対して非接触で電力を伝送する電力伝送回路に関し、液晶表示パネル等の平板型の表示パネルへの電力を電気的に非接触で伝送する回路に好適なものである。

液晶パネルをはじめとする平板型の表示パネルへ電力をケーブル等の機械的手段を用いることなく非接触で伝送することができれば、表示パネルに取り付ける配線材等の部品の削減、表示パネル実装の低コスト化、製造工程の簡略化が期待できる。また、表示パネルの応用範囲の拡大に寄与する。

例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で構成されたアクティブ・マトリクス型の表示パネルで構成した表示装置においては、表示制御回路を実装した回路基板からフレキシブルプリントケーブル等の配線部品を用いて表示パネルに電力を供給している。これに対し、外部システムから非接触伝送路を介して電力を受信し、表示回路および液晶パネルなどの表示デバイスへの電力供給を行う従来技術として特許文献１がある。特許文献１は、その非接触伝送路を介した電力供給として、静電誘導（静電結合）方式、電磁誘導および電磁波を利用する方式を開示している。
特開２００５‐３０１２１９号公報

非接触伝送路として電磁波や電磁誘導を用いるものでは、高周波数の搬送波を用いる必要がある。このため、表示パネル側の整流素子には高い性能（応答速度）が要求され、表示パネル上のＴＦＴで実現するのは困難であった。また電磁誘導では表示パネル上に共振用のコイルとキャパシタを形成する必要があり、面積の増大を招いた。

一方、静電結合方式は伝送用電極のみで構成できるため、面積は小さくてすむ。しかし、送受信間の容量の変動により、受側に発生する電圧が変動しやすい。さらに、表示パネル内の負荷電流の変動にも影響を受けやすく、実用化が困難であった。

本発明の目的は、接続容量（静電容量）の変動による受信側の電圧変動を抑制して、表示パネル内の負荷電流の変動への影響を防止した容量接続型電力伝送回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、送信側基板と表示パネルの基板にそれぞれ形成した静電結合用電極で表示パネルの絶縁層（絶縁基板）を挟んで静電容量を構成し、その容量を介して非接触伝送路を構成してパネル側の電極で得た交流電圧信号をダイオードで構成した整流回路で整流する。さらに抵抗と複数のダイオードを直列に接続したダイオードアレイで構成されるシャントレギュレータを通して、パネル内での負荷変動に対して安定した電圧を維持する。

静電結合（静電容量）で生じる電源−負荷間のインピーダンスは、通常、負荷で生じるインピーダンスの変動と比較して無視できない値であり、負荷インピーダンスの変動で負荷電圧も同時に変動する。整流回路の後にシャントレギュレータの定電圧回路を挿入することでこの負荷電圧の変動が抑制される。また、静電結合で構成される静電容量（キャパシタンス）と直列にインダクタンスを挿入して共振回路を構成し、交流電力信号の周波数を共振周波数付近に設定することで、電源−負荷間のインピーダンスが低減される。

静電容量を介して伝送される交流信号を整流する回路に全波整流回路（ダイオードブリッジ）を適用することで、静電容量のチャージアップを防止し、整流回路に倍圧整流回路を適用することで、必要な電源電圧を半減させることが可能となる。また、静電結合を介して伝送される交流信号とその他の方式（電磁結合等）を介して伝送される交流信号を、それぞれダイオードブリッジを通して合流させることで、より高い電圧を得られる方式が自動的に選択される。さらに、ダイオードを低温ポリシリコンを用いて直接基板上に形成すれば、電源供給に必要な回路を、半導体チップを別に用意することなく表示パネル上に一体的に集積した素子のみで実現できる。

以下、本発明の最良の形態を、図面を参照して実施例により詳細に説明する。

図１は、非接触伝送路を介して表示用の電力信号を送信する送信基板と受信を実現する電力受信回路を適用した本発明の実施例１である表示パネルの構成を説明する展開斜視図である。ここでは、電力が供給される側の例としてアクティブ・マトリクス基板で構成した液晶表示パネルを想定する。この表示パネルは通常、表示機能に関係する回路素子が集積されるパネル回路基板、パネル対向基板およびこれら両基板に挟まれる液晶部で構成される。図１では表示パネルの対向基板および液晶部は図示を省略してパネル回路基板を受信基板２００として表示する。この受信基盤２００は、複数の画素をマトリクス状に配置した表示領域および表示駆動回路を有し、これらをまとめて符号１４で示す。

図１の各構成要素について、信号の流れに沿って説明する。送信基板１００を構成する絶縁基板１０１（第１の絶縁基板）の表面（受信基板２００に対向する面）には、交流信号発生回路１、平衡伝送線路２、一対の静電結合用電極３Ａ、３Ｂが形成されている。送信基板１００では、表示パネルである受信基板２００に伝送するべき電力を交流信号として交流信号発生回路１にて生成し、送信基板１００を構成する絶縁基板１０１上の伝送線路２を介して一対の静電結合用電極３Ａ、３Ｂに伝送する。図1では、伝送線路は２本の信号線を対にした平衡伝送線路２で構成しているが、マイクロストリップラインのような非平衡伝送線路でも良い。なお、交流信号発生回路１と静電結合用電極３Ａ、３Ｂの間隔が伝送される交流信号の最高周波数成分の波長より充分短い場合は、明示的な伝送線路はなくてもよい。

受信基板２００を構成する絶縁基板２０１（第２の絶縁基板）の表面（送信基板と反対の面）には表示領域および表示駆動回路１４と一対の静電結合用電極１３Ａ、１３Ｂが形成されている。送信基板１００を構成する絶縁基板１０１上の静電結合用電極３Ａ、３Ｂは、受信基板２００を構成する絶縁基板（第２の絶縁基板）２０１上の静電結合用電極１３Ａ、１３Ｂとそれぞれ対向するように配置される。このため、これらの静電結合用電極３Ａ、３Ｂと静電結合用電極１３Ａ、１３Ｂとの間には第２の絶縁基板２０１が介挿される形となり各一対の静電容量を構成する。第２の絶縁基板２０１は、ガラス、プラスチックなどの絶縁性材料からなる。

表示パネルである受信基板２００側の静電結合電極１３Ａ、１３Ｂで誘起された交流電圧はただちに整流回路１１に入力し、脈流信号に変換される。その後、この脈流信号は定電圧回路１２に入力され、安定化された後に負荷である表示領域と表示駆動回路１４に供給される。

図２Ａは、本発明の実施例１における整流回路１１および定電圧回路１２の第一例の回路図である。図２Ｂと図２Ｃは、図２Ａの回路の動作を説明する図である。本実施例の整流回路１１には図２Ａに示したように、ダイオードブリッジによる全波整流方式が用いられる。静電容量からなる静電結合部２０を介して伝送される交流信号発生回路１からの交流信号を整流する場合、交流信号の交番により静電容量の充放電動作を確実に行う必要がある。このため、交流信号の半周期を用いる単波整流方式よりも全周期つまり交番電圧を用いる全波整流方式が適している。例えば、図２Ｂに示すように端子Ｂに対して端子Ａの電位が高い場合、それぞれの結合用静電容量は同図のように充電される。次に、図２Ｃに示すように、端子Ａの電位が端子Ｂより低くなる場合、静電容量の電荷は強制的に放電され、今度は逆極性で充電される。これらの充放電の過程において、整流回路１１に電流が流れ結果として脈流が出力される。

整流された後の脈流信号は、定電圧回路１２にて安定化される。本実施例では、この定電圧回路１２をシャント方式を用いて構成した。この回路は、直列抵抗Ｒ（例えば、１ｋΩ）および出力電圧を決定する直列ダイオード、およびコンデンサＣ（例えば、１μＦ）で構成される。

このシャント方式レギュレータの特徴は、電圧を安定化させるために、明示的なフィードバックループ、誤差増幅回路を持たないことである。その長所は、回路規模を非常に小さくでき、誤差増幅回路の構成が困難な回路素子（表示パネル上の低温ポリシリコン薄膜トランジスタ）でも実現できることである。一方、その短所は、負荷の消費電力が大きい場合に定電圧回路自体での電力損失が大きくなり、結果として出力電圧の安定化が困難になることである。但し、本実施例のように、液晶表示パネルなどの低消費電力デバイスへの適用では問題とならない。

図３は、本発明の実施例１における負荷電流−電圧特性を数値計算結果で説明する図である。図３には、１０ｐＦの結合用静電容量、およびＬＴＰＳ‐ＴＦＴ（低温ポリシリコン-薄膜トランジスタ）で構成したダイオードを用いて整流回路１１と定電圧回路１２を構成した場合における負荷電流−電圧特性を示す。なお、定電圧回路１２にはダイオード４個を直列に接続することを想定している。負荷電流の変動範囲は液晶表示パネルの消費電力を念頭に置いて、４０〜４００μＡとした。供給する交流信号の周波数は、１３．５６ＭＨｚの正弦波である。図３より、正弦波の実効値が１０Ｖであれば、想定している負荷電流の範囲において、およそ５Ｖ以内に収まっていることが分かる。

図４Ａは、結合容量にインダクタを直列に接続した本発明の実施例２である電力伝送の構成を説明する展開斜視図である。図４Ｂは、図４Ａの回路構成の説明図である。ここでも、実施例１と同様に、液晶表示パネルを例として示す。静電結合部２０を構成する各結合用容量と、これらの結合用容量と直列接続された各インダクタ４とにより直列共振回路を構成する。その共振周波数で交流信号を伝送することにより、静電結合部２０での交流インピーダンスを低下させることができる。図４Ｂの他の構成は前記図２Ａの回路と同様である。

具体的には、付加するインダクタンス（片側分）をＬ、結合容量（同片側分）をＣとすると、共振周波数ｆは以下の式で表される。
ｆ＝1／（２π√（ＬＣ））
例えば、交流周波数１３．５６ＭＨｚ、結合容量が１０ｐＦの場合に上式から得られるインダクタンスは、１３．４μＨとなる。

図５は、インダクタンスを付加した場合の本発明の実施例２における負荷電流−電圧特性を数値計算結果で説明する図である。図５より、インダクタンス４を付加しない場合と比較して、負荷電圧の安定に必要な実効値が１１Ｖから９Ｖへ低減することが分かる。負荷２１で消費する電力を削減することなく供給電圧を低減できることは、電力の伝送効率を向上させることに繋がる。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、本発明の実施例２のＬＣ回路の他の要部構成例を説明する図である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、共に交流信号発生回路１と静電結合部２０をトランスフォーマー５により電磁的に結合したものである。図６Ａでは流信号発生回路１側と静電結合部２０側のコイルの巻き数は同じである。図６Ｂでは、流信号発生回路１側よりも静電結合部２０側のコイルの巻き数を多くし、静電結合部２０側に誘起する電圧を上昇させる。図６Ｃでは、静電結合部２０側にコンデンサＣを設けて共振回路を構成し、交流信号の振幅を増大させて、パネルに高い電圧を伝送させるようにした。コンデンサＣを可変容量コンデンサとして共振周波数を調整するようにしてもよい。この共振回路は、公知例にあるような電磁誘導方式で用いる共振回路と同等である。しかし、実施例２では全てのインダクタを表示パネルの外つまり送信基板側で実装する。このため、表示パネルには実施例１と同様に静電容量のみを集積すればよく、受信回路の面積増大にはつながらない。

図７Ａは、本発明の実施例３を説明する整流回路１１および定電圧回路１２の説明図であり、実施例１で示した整流回路を倍圧整流方式（２倍整流回路）で構成したものである。図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは、図７Ａに示した回路の動作を説明する図である。実施例３の回路の長所は、実施例１と比較して半分の交流電圧（実効値）で電力を供給できることである。図７Ａの回路動作を図７Ｂ‐図７Ｄを参照して説明する。まず、図７Ｂに示すように、端子Ｂに対して端子Ａの電位が高い場合、実施例１と同様に容量結合部２０の結合用静電容量に図で示す符号の電荷が充電される。次に、端子Ｂに対して端子Ａの電位が低い場合、表示パネル２００のシャントレギュレータ１２側には電流が流れず、静電容量の電荷は放電され、それぞれの結合用静電容量は図７Ｃに示したように充電される。次に、端子Ａの電位が高くなると、図７Ｄに示すように、各静電容量の極板間の電位は電源の電位と同じ方向となり、整流回路１１を通る前の端子ＣＤ間の電位は電源電圧の約２倍となる。やがて各静電容量が放電されると図７Ａの状態に戻る。

本実施例における倍圧整流方式は、実施例１で示した全波整流方式と異なり、端子Ｂに対して端子Ａの電位が低い期間はシャントレギュレータ１２に電流が供給されない。よって、負荷電流が低い場合に本方法は有効となる。

図８は、静電結合で電力を伝送する系と電磁誘導で電力を伝送する系を併用する本発明の実施例４を説明する回路図である。静電容量結合部２０の静電容量および電磁接続部５の誘導コイルについてそれぞれ整流回路１１（整流回路Ａ）を接続し、各清流回路の出力を並列に定電圧回路（シャントレギュレータ）１２に接続する。交流信号発生回路１から静電容量結合部２０と電磁接続部５の誘導コイルの何れかを介して伝送された交流信号は、それぞれの整流回路を通り脈流に変換されシャントレギュレータ１２にて安定化される。

静電容量結合部２０の静電容量および電磁接続部５の誘導コイルの両方から交流信号を伝送した場合、シャントレギュレータ１２の入力電圧、つまり、端子ＥＦ間でより高い電圧が発生できる方式が自動的に選択される。例えば、静電結合方式の方が高い電圧を得られる場合、交流信号は静電容量側の整流回路１１（整流回路Ｂ）を通る。端子ＥＦ間に誘起する電圧（瞬時値かつ、ダイオードの順方向効果分を差し引く）は誘導コイルで誘起する電圧（瞬時値かつ、ダイオードの順方向電圧降下分を差し引く）よりも高くなるため、誘導コイル側の整流回路Ａは当該整流回路のダイオードの働きにより非導通となる。実施例４によれば、表示パネルへの電力供給手段を自動的に選択することで、表示パネルを移動させてもつねに機能させることが可能となる。

図９は、非接触伝送路を介して表示用の電力信号を送信する送信基板と受信を実現する電力伝送回路を適用した本発明の実施例５である表示パネルの構成を説明する展開斜視図である。図９において、送信基板１００を構成する第１の絶縁基板１０１上には、実施例１で説明したものと同様の交流信号発生回路１、伝送線路２、一対の電力送信側静電結合用電極１３４、１３５が設けられている。これに加えて、映像信号処理回路１３０、信号送信側静電結合用電極１３１、送信側共通電位静電結合用電極１３２が設けられている。そしてさらに、実施例５では、電磁的に電力を伝送する電力送信用コイル１３３が装備されている。この電力送信用コイル１３３に交流電力を印加する交流信号発生回路は、特に図示しない。送信基板１００の方面の適宜のスペース、あるいは裏面にこの交流信号発生回路を設けることもできる。前記交流信号発生回路１についても同様である。

実施例５は、電力を供給する表示パネルを液晶表示パネルとしたもので、上記送信基板１００と対向する受信基板２０１は液晶表示パネル２００のアクティブ・マトリクス基板としてある。この受信基板２０１上には送信基板１００側の静電結合用電極１３４、１３５とそれぞれ対をなす電力受信側静電結合用電極２３４，２３５、整流回路および定電圧回路２３６が設けられている。これらの電力伝送回路の構成と動作は前記の実施例１と同様である。なお、同様にして実施例２−４の回路を本実施例に適用できることは言うまでもない。

受信基板２０１上にはさらに、信号受信側静電結合用電極２３１、受信側共通電位静電結合用電極２３２、複数の画素装置をマトリクス配列した表示部ＡＲ、画素を駆動するための駆動回路２４２等が設けられている。また、前記電力送信用コイル１３３と電磁的に結合して電力を受信する電力受信用コイル２３３が装備されている。電力送信側静電結合用電極と電力送信用コイルに電力信号を入力した場合、実施例４と同様の方法にて電力の伝送方式として静電結合と電磁結合のいづれかが選択される。静電結合で電力を伝送することが確定している場合には、この電磁結合による電力の送受信構造は必須でない。

液晶表示パネル２００は、受信基板２０１と対向基板２０２が液晶部（非表示）をはさむ形で貼り合わされて構成される。この対向基板２０２の内面にはカラーフィルタやブラックマトリクス、ＴＮ方式等では対向電極が形成されている。このように、実施例５は、静電結合（および電磁結合）で電力を伝送する系と表示パネルの表示部に表示信号を伝送する系を併設することで、電力のみならず、表示信号の伝送のための接続配線も不要となる。

非接触伝送路を介して表示用の電力信号を送信する送信基板と受信を実現する電力伝送回路を適用した本発明の実施例１である表示パネルの構成を説明する展開斜視図である。 本発明の実施例１における整流回路１１および定電圧回路１２の第一例の回路図である。 図２Ａの回路の動作を説明する図である。 図２Ａの回路の動作を説明する図である。 本発明の実施例１における負荷電流−電圧特性を数値計算結果で説明する図である。 結合容量にインダクタを直列に接続した本発明の実施例２である電力伝送の構成を説明する展開斜視図である。 図４Ａの回路構成の説明図である。 インダクタンスを付加した場合の本発明の実施例２における負荷電流−電圧特性を数値計算結果で説明する図である。 本発明の実施例２のＬＣ回路の他の要部構成例を説明する図である。 本発明の実施例２のＬＣ回路の他の要部構成例を説明する図である。 本発明の実施例２のＬＣ回路の他の要部構成例を説明する図である。 本発明の実施例３を説明する整流回路１１および定電圧回路１２の説明図である。 図７Ａに示した回路の動作を説明する図である。 図７Ａに示した回路の動作を説明する図である。 図７Ａに示した回路の動作を説明する図である。 静電結合で電力を伝送する系と電磁誘導で電力を伝送する系を併用する本発明の実施例４を説明する回路図である。 非接触伝送路を介して表示用の電力信号を送信する送信基板と受信を実現する電力伝送回路を適用した本発明の実施例５である表示パネルの構成を説明する展開斜視図である。

符号の説明

１００・・・送信基板、２００・・・受信基板、１０１・・・第１の絶縁基板、２０１・・・第２の絶縁基板、１・・・交流信号発生回路、２・・・平衡伝送線路、３Ａ、３Ｂ・・・送信側の静電結合用電極、１１・・・整流回路、１２・・・定電圧回路、１３Ａ、１３Ｂ・・・受信側の静電結合用電極、１４・・・表示領域および表示駆動回路、２０・・・静電結合部、４・・・インダクタ、５・・・トランスフォーマー、６・・・可変容量コンデンサ、１３０・・・映像信号処理回路、１３１・・・信号送信側静電結合用電極、１３２・・・送信側共通電位静電結合用電極、１３３・・・電力送信用コイル、１３４，１３５・・・電力送信側静電結合用電極、２００・・・液晶表示パネル、２０１・・・パネル対向基板２３１・・・信号受信側静電結合用電極、２３２・・・受信側共通電位静電結合用電極、２３３・・・電力受信用コイル、２３４、２３５・・・電力受信側静電結合用電極、２３６・・・整流回路および定電圧回路、２４２・・・駆動回路。

Claims (8)

1. 送信基板側から受信基板側に非接触で電力を伝送する電力伝送回路であって、
   前記送信基板は第１の絶縁基板を有し、該第１の絶縁基板上に交流電力信号発生回路と、該交流電力信号発生回路の出力に接続された送信側静電結合用電極を備え、
   前記受信基板は第２の絶縁基板を有し、該第２の絶縁基板上に受信側静電結合用電極と、整流回路、定電圧回路、および負荷を備え、
   前記送信側静電結合用電極と前記受信側静電結合用電極は絶縁層を介して互いに積層配置された一対の静電容量とからなる一対の非接触伝送路を構成しており、
   前記静電容量を介して入力した交流電力を前記整流回路で整流し、前記定電圧回路を通して前記負荷に供給することを特徴とする電力伝送回路。
2. 請求項１において、
   前記受信基板は、２次元配置された複数の画素と、該画素を駆動する表示駆動回路を有し、平板型の表示パネルを構成するアクティブ・マトリクス基板であることを特徴とする電力伝送回路。
3. 請求項１又は２において、
   前記静電容量を構成する前記絶縁層は、前記第１の絶縁基板又は前記第２の前記基板の何れか、あるいは双方であることを特徴とする電力伝送回路。
4. 請求項１又は２において、
   前記整流回路は、前記一対の受信側静電結合用電極の各出力に接続されたダイオード４つからなるブリッジ回路であることを特徴とする電力伝送回路。
5. 請求項１又は２において、
   前記整流回路は、前記一対の受信側静電結合用電極の各出力に接続されたダイオード２つからなる倍圧整流回路であることを特徴とする電力伝送回路。
6. 請求項１又は２において、
   前記定電圧回路は、抵抗と複数のダイオードを直列に接続したダイオードアレイで構成されるシャントレギュレータであることを特徴とする電力伝送回路。
7. 請求項１又は２において、
   前記交流電力信号発生回路と前記一対の送電側静電結合用電極のそれぞれとの間に、直列に挿入されたインダクタンスを備え、該インダクタンスと前記静電容量とで構成される共振回路を有することを特徴とする電力伝送回路。
8. 請求項１又は２において、
   前記第１の絶縁基板上に、前記送信側静電結合用電極と並列に送信側電磁誘導コイルを備え、
   前記第２の絶縁基板上に、前記送信側静電結合用電極と誘導結合する受信側電磁誘導コイルが配置され、
   前記受信側静電結合用電極の出力は、前記定電圧回路の入力に前記整流回路の出力と並列に接続されていることを特徴とする電力伝送回路。