JP2018042306A - フィルタ回路及びワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】通電経路のインピーダンスに及ぼす影響を低減できるフィルタ回路，及びそのフィルタ回路を提供する。
【解決手段】実施形態のフィルタ回路は、通電経路に挿入されている通電コイルに対して電磁結合する第１コイルと、この第１コイルの両端に接続される、第２コイル及びコンデンサの並列回路とを備え、前記第２コイル及びコンデンサの素子定数は、前記通電コイルの端子間インピーダンスを、当該通電コイルが単体の状態と等価にする任意の周波数で並列共振するように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、通電経路に挿入されている通電コイルに対して設けられるフィルタ回路，並びに前記通電コイル及び前記フィルタ回路を備えてなるワイヤレス電力伝送システムに関する。

送電側のコイルと受電側のコイルとを電磁結合させた状態で、電力をワイヤレスで伝送するシステムについては、例えば特許文献１等に開示されている。このようなシステムでは、電力伝送に使用される周波数以外の周波数成分の電磁信号が放射されると、周辺環境に対するノイズとなる。そのため、規格として許容されているレベルを満たすようにノイズ対策を行う必要がある。

特開２０１３−２４７８２２号公報

そして、上記のようなシステムでは、電力伝送用のコイルはシールドできないので、一般にはフィルタ回路を用いて対策を行っている。しかしながら、通電経路中にフィルタ回路を配置すると、インピーダンスの整合状態に影響を及ぼして電力の伝送効率が低下することが避けられず、必ずしも好ましい対策とは言えない。
そこで、通電経路のインピーダンスに及ぼす影響を低減できるフィルタ回路，及びそのフィルタ回路を備えてなるワイヤレス電力伝送システムを提供する。

実施形態のフィルタ回路は、通電経路に挿入されている通電コイルに対して電磁結合する第１コイルと、
この第１コイルの両端に接続される、第２コイル及びコンデンサの並列回路とを備え、
前記第２コイル及びコンデンサの素子定数は、前記通電コイルの端子間インピーダンスを、当該通電コイルが単体の状態と等価にする任意の周波数で並列共振するように設定されている。

また、実施形態のワイヤレス電力伝送システムは、前記通電コイルを送電用コイルとし、請求項１から５の何れか一項に記載のフィルタ回路を備える電力送信装置と、
前記通電コイルを受電用コイルとし、請求項１から５の何れか一項に記載のフィルタ回路を備える電力受信装置とを備える。

第１実施形態であり、電力伝送システムの構成を示す図 フィルタ回路の電気的構成を示す図 フィルタ回路の作用を説明する図（その１） フィルタ回路の作用を説明する図（その２） 送電用コイル及びコイルＬ１が形成されている多層基板構造を示す斜視図 絶縁層の送電用コイルが形成されている面側を示す図 絶縁層のコイルＬ１が形成されている面側を示す図 多層基板構成をモデル的に示す断面図 シミュレーションに用いた回路素子の定数を示す図 フィルタ回路がない場合のシミュレーション結果を示す電圧スペクトル図 フィルタ回路がある場合のシミュレーション結果を示す電圧スペクトル図 フィルタ回路により電圧が減少したレベルを示す図 フィルタ回路の有無に応じた電流レベル及び位相の変化を示す図 送電用コイル単体の場合の遠方界パターンを示す図 送電用コイルにコイルＬ１を電磁結合させた場合の遠方界パターンを示す図 フィルタ回路の有無に応じた放射電界強度の変化を示す図 対向距離ｄを変化させた場合の放射電界強度の変化を示す図 対向距離ｄを固定し、ＬＣ並列共振器の時定数を変化させた場合の放射電界強度の変化を示す図 第２実施形態であり、フィルタ回路を同軸ケーブルに適用した構成を示す図 第３実施形態であり、フィルタ回路に中性点を設けた構成を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図１８を参照して説明する。図１は、本実施形態の電力伝送システムの構成を示すもので、電力伝送システム１は、電力送信装置２及び電力受信装置３を備えている。電力送信装置２は、入力される直流電源を交流電源に変換するＤＣ−ＡＣ変換器４と、ＤＣ−ＡＣ変換器４の出力端子間に接続されるコンデンサ５及び送電用コイル６の直列回路とを備えている。更に、電力送信装置２は、送電用コイル６に電磁結合するフィルタ回路７を備えている。

一方、電力受信装置３は、コンデンサ８及び送電用コイル９の直列回路と、この直列回路が入力端子間に接続されるＡＣ−ＤＣ変換器１０とを備えている。ＡＣ−ＤＣ変換器１０は、入力される交流電源を直流電源に変換して出力する。同様に、電力受信装置３は、受電用コイル９に電磁結合するフィルタ回路１１を備えている。ＤＣ−ＡＣ変換器４，ＡＣ−ＤＣ変換器１０は、電力伝送システム１におけるノイズ源ともなる。

フィルタ回路７及び１１は同一構成であるため、以下、フィルタ回路７につき図２を参照して説明する。フィルタ回路７は、送電用コイル６に電磁結合するコイルＬ１と、コイルＬ１に並列に接続されるコイルＬ２及びコンデンサＣ２からなるＬＣ並列共振器１２とで構成される。ＬＣ並列共振器１２の時定数は、電力送信装置２の電力伝送周波数，例えば６．７８ＭＨｚにおいてインピーダンスが最大となるように選択される。尚、送電用コイル６は通電用コイルに相当する。また、コイルＬ１，Ｌ２は、それぞれ第１，第２コイルに相当する。

その結果、図３に示すように、伝送周波数ではコイルＬ１に励起電流が発生せず、つまりフィルタ作用が行われず、電力受信装置３側に伝送される電力に損失がなくなる。そして、図４に示すように伝送周波数よりも高い周波数の領域では、ＬＣ並列共振器１２のインピーダンスが低下してコイルＬ１に励起電流が逆相で流れる。すると、コイルＬ１に発生する磁界が送電用コイル７に発生する磁界を打ち消すようになり、フィルタ作用が行われる。

図５から図８は、フィルタ回路７の物理的構成を示している。フィルタ回路７は、基板である絶縁層１３の表面側に送電用コイル６のパターンが形成され、同裏面側にコイルＬ１のパターンが形成されている。図８に示すように、送電用コイル６の上層には保護層１４が配置されており、コイルＬ１の下層にも保護層１５が配置されている。すなわち、これらは多層基板を構成している。保護層１４には、送電用コイル６の両端をＤＣ−ＡＣ変換器４の出力端子に接続するための開口部１６が形成されている。同様に、保護層１５には、コイルＬ１の両端をＬＣ並列共振器１２の両端に接続するための開口部１７が形成されている。

次に、本実施形態のフィルタ回路７及び１１による効果についてシミュレーション結果を用いて説明する。送電用コイル６及びコイルＬ１を同一形状とし、例えば線路幅２．５ｍｍのパターンで形成し、インダクタンスは１μＨとする。両者の対抗間隔，つまり絶縁層１３の厚さを０．１ｍｍとすると結合係数ｋは０．９７〜０．９８となり、対抗間隔を０．０２５ｍｍにするとｋ＝０．９９になる。図９はシミュレーションに用いた各回路素子の定数を示す。図９に示すＬ１は本実施形態の送電用コイル６に相当し、同Ｌ２は本実施形態のコイルＬ１に相当する。この時、図１０及び図１１に示すように、伝送周波数６．７８ＭＨｚでは損失が無く、より高い周波数領域ではフィルタ作用によりノイズレベルを抑圧していることが分かる。

図１２は、フィルタ回路７の作用による図１０，図１１間の電圧減衰レベルを示している。周波数１０ＭＨｚまでは概ね減衰がなく、４０ＭＨｚを超えると減衰が発生し、３００ＭＨｚを超えた辺りで減衰レベルがピークを示している。また、図１３は、送電用コイル６，コイルＬ１にそれぞれ流れる電流の大きさと両者の電流位相差とを示している。周波数５０ＭＨｚを超えた辺りで電流の大きさが等しくなり、位相差も１８０°前後になることでフィルタ作用が生じている。

図１４，図１５は、それぞれフィルタ回路７がない場合，ある場合について、周波数６．７８ＭＨｚでの遠方界パターンを示している。遠方界パターンについては、フィルタ回路７の有無による影響が殆ど無いことが分かる。

図１６は、送電用コイル６，コイルＬ１のインダクタンスを１．３μＨ，コンデンサ５及びＣ２の容量を４２５ｐＦ，両コイルの対向距離ｄ＝２５μｍとして、フィルタ回路７がない場合，ある場合の放射電界強度［ｄＢμＶ／ｍ］，及び放射電界抑制レベル［ｄＢ］を示している。伝送周波数６．７８ＭＨｚでは放射電界強度に影響が無く、１０ＭＨｚを超えた辺りから抑制レベルが上昇している。

図１７は、対向距離ｄを変化させた場合の放射電界強度の変化を示している。ｄ＝２００μｍの場合に、周波数３０ＭＨｚ付近において抑制レベルが最大となっている。一方、対向距離ｄを短くして結合係数ｋを高めることで、広い周波数帯域に亘るノイズ抑制効果が得られている。

また図１８は、対向距離ｄ＝２５μｍに固定し、ＬＣ並列共振器１２の時定数を変化させた場合の放射電界強度の変化を示している。コイルＬ２のインダクタンスが小さくなるほど、より低い周波数からノイズ抑制効果が生じている。

以上のように本実施形態によれば、フィルタ回路７は、電力送信装置２の通電経路に挿入されている送電用コイル６に対して電磁結合するコイルＬ１と、コイルＬ１の両端に接続されるコイルＬ２及びコンデンサＣ２の並列回路１２とを備える。そして、コイルＬ２及びコンデンサＣ２の素子定数を、送電用コイル６の端子間インピーダンスを、コイル６が単体の状態と等価にする任意の周波数で並列共振するように設定した。換言すれば、ＬＣ並列共振器１２の時定数を、前記任意の周波数である電力送信装置２の電力伝送周波数６．７８ＭＨｚにおいてインピーダンスが最大となるように選択した。

これにより、電力伝送に使用される周波数の電磁信号には減衰を与えることなく、より高い周波数のノイズをフィルタリングできる。この際に、コイルＬ２のインダクタンスをコイルＬ１のインダクタンス以下に設定することで、フィルタ効果をより高めることができる。

また、コイルＬ１を、一方の面側に送電用コイル６が配置されている絶縁層１３の、他方の面側に配置することで、送電用コイル６とコイルＬ１との対抗間隔を絶縁層１３の厚さにより容易に調整できる。これにより、送電用コイル６に対するコイルＬ１の電磁結合度合いの調整が容易となる。そして、フィルタ回路７及び１１を、電力送信装置２及び電力受信装置３を備えるワイヤレス電力伝送システム１に適用したので、電力の伝送を高い効率で行うことができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を附して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１９に示すように、第２実施形態は、同軸ケーブル２１の内導体である中心導体２２と、外導体である被覆導体２３とを利用してフィルタ回路を構成する。例えば中心導体２２を通電コイルとして、被覆導体２３をフィルタ回路を構成するコイルＬ１としてＬＣ並列共振器１２を接続する。尚、双方の対応関係を入れ替えても良い。

（第３実施形態）
図２０に示すように、第３実施形態ではＬＣ並列共振器１２に対してコンデンサＣ３ａ及びＣ３ｂの直列回路を並列に接続したものをＬＣ並列共振器３１として、フィルタ回路３２を構成している。この場合、コンデンサＣ３ａ，Ｃ３ｂの容量を等しく設定することで両者の共通接続点を中性点として、例えばグランドに接続することで所定電位を付与する。

信号発生源３３の出力端子間に通電コイル３４が接続されており、信号発生源３３のグランド端子がコンデンサＣ４を介してグランドに接続されている構成において、フィルタ回路３２のコイルＬ１が通電コイル３４に電磁結合している。この時、通電コイル３４とコイルＬ１との間に、図中に破線で示す寄生容量が存在すると、図中に破線矢印で示す経路でコモンモードノイズが発生する場合がある。このような場合に、ＬＣ並列共振器３１に中性点を設けるＪことで、コモンモードノイズをグランドに効率良く伝搬できる。

（その他の実施形態）
任意の周波数，各回路素子の定数やフィルタ回路を構成する際の寸法などについては、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
第３実施形態において、所定電位はグランド電位に限ることはない。また、必ずしも中性点に所定電位を付与する必要はなく、コイルＬ２，コンデンサＣ２の一端を所定電位に接続しても良い。
ワイヤレス電力伝送システムに適用するものに限らず、その他ワイヤレス信号伝送システム，電磁信号を送信する装置や受信する装置であれば適用が可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は電力伝送システム、２は電力送信装置、３は電力受信装置、６は送電用コイル、７はフィルタ回路、９は受電用コイル、１１はフィルタ回路、Ｌ１及びＬ２はコイル、Ｃ２はコンデンサ、１３は絶縁層、２１は同軸ケーブル、２２は中心導体、２３は被覆導体を示す。

Claims (6)

1. 通電経路に挿入されている通電コイルに対して電磁結合する第１コイルと、
   この第１コイルの両端に接続される、第２コイル及びコンデンサの並列回路とを備え、
   前記第２コイル及びコンデンサの素子定数は、前記通電コイルの端子間インピーダンスを、当該通電コイルが単体の状態と等価にする任意の周波数で並列共振するように設定されているフィルタ回路。
2. 前記第２コイルのインダクタンスは、前記第１コイルのインダクタンス以下に設定されている請求項１記載のフィルタ回路。
3. 前記第１コイルは、一方の面側に前記通電コイルが配置されている基板の、他方の面側に配置されている請求項１又は２記載のフィルタ回路。
4. 前記通電コイルが、同軸ケーブルの内導体又は外導体の一方として形成されている際に、
   前記第１コイルは、前記内導体又は外導体の他方として形成されている請求項１又は２記載のフィルタ回路。
5. 前記並列回路に中性点を設け、前記中性点に所定電位を付与する請求項１から４の何れか一項に記載のフィルタ回路。
6. 前記通電コイルを送電用コイルとし、請求項１から５の何れか一項に記載のフィルタ回路を備える電力送信装置と、
   前記通電コイルを受電用コイルとし、請求項１から５の何れか一項に記載のフィルタ回路を備える電力受信装置とを備えるワイヤレス電力伝送システム。

Images