JP7630728B2 - Power Transmission Coil - Google Patents
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Description
本開示は、送電コイルから受電コイルに非接触により電力の伝送、つまり送電を行う電磁誘導を利用した磁界結合型電力伝送装置における、送電コイル又は受電コイルの電力伝送コイルに関する。 The present disclosure relates to a power transmission coil of a transmitting coil or a receiving coil in a magnetic field coupling type power transmission device that uses electromagnetic induction to transmit power from a transmitting coil to a receiving coil in a non-contact manner, i.e., transmit power.
携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の携帯機器に受電コイルを有し、送電コイルから受電コイルに電力を送電し、携帯機器に非接触の給電又は充電を行う磁界結合型電力伝送が知られている。
また、近年、携帯機器のような小形の機器だけではなく、自動搬送ロボット及び電気自動車のような大型及び大電力を扱うアプリケーションに対しても検討がなされている。
送電コイルから受電コイルに電力を送電するに際し、送電コイルから伝送される電力の内、一部は受電コイルで受電されずに空間に放射され、周囲の機器に対して干渉波として振る舞う。そのため、周囲の機器に対して機器に悪影響を及ぼす。
Magnetic field coupling type power transmission is known in which a portable device such as a mobile phone, headset, digital camera, or digital video has a receiving coil, and power is transmitted from a transmitting coil to the receiving coil to contactlessly power or charge the portable device.
In recent years, research has been conducted not only on small devices such as portable devices, but also on large devices and applications that handle large amounts of power, such as automatic transport robots and electric vehicles.
When transmitting power from the transmitting coil to the receiving coil, some of the power transmitted from the transmitting coil is not received by the receiving coil and is radiated into the air, acting as an interference wave to surrounding devices, which adversely affects the surrounding devices.
電力伝送効率を大きく低下させることなく、放出される放射ノイズを抑制できる携帯機器に用いられる送電を行うアンテナ(送電コイル相当)が特許文献1に示されている。
特許文献1に示されたアンテナは、平面コイルとループコイルとからなる複合アンテナであり、ループコイルのインダクタンスと同調用の容量からなる共振回路の共振周波数が平面コイルの駆動周波数の2倍以上の周波数に調整されている。
The antenna shown in
特許文献1に示されたアンテナにおいて、発明者らは電力伝送効率の観点から検証を試みたところ、ループコイルの駆動周波数におけるインピーダンスZloopが小さい場合は、平面コイルの駆動周波数の電力が必ずしも高い伝送効率で受電コイルにより受電されないものであった。
また、ループコイルの共振周波数以下の周波数においては、ループコイルのインピーダンスZloopが容量性となり、平面コイルからの磁束とこの磁束によりループコイルに誘導された電流によるループコイルから放射される磁束が強め合う。
すなわち、この周波数範囲においては、ループコイルによる放射妨害波の抑圧効果は得られず、キャパシタの容量Cをループコイルの共振周波数が駆動周波数よりも十分大きくなるように決定すると、放射妨害波を抑圧できる周波数範囲が狭くなる。
The inventors attempted to verify the antenna disclosed in
Furthermore, at frequencies below the resonant frequency of the loop coil, the impedance Z loop of the loop coil becomes capacitive, and the magnetic flux from the planar coil and the magnetic flux radiated from the loop coil due to the current induced in the loop coil by this magnetic flux reinforce each other.
In other words, in this frequency range, the loop coil cannot suppress radiated interference waves, and if the capacitance C of the capacitor is determined so that the resonant frequency of the loop coil is sufficiently higher than the drive frequency, the frequency range in which radiated interference waves can be suppressed becomes narrow.
すなわち、特許文献1に示されたアンテナにおいて、今、ループコイルのレジスタンスR、自己インダクタンスLとキャパシタの容量Cから成る直列共振回路を考えると、ループコイルのインピーダンスZloopは次式(1)で現わされる。
That is, in the antenna disclosed in
式(1)中、jは虚数単位、ωは角周波数である。
ここで、容量Cをループコイルが基本波周波数の2倍の周波数で共振するように決定したとすると、Zloopは次式(2)で現わされる。
なお、ここで言う基本波は特許文献1における駆動波であり、平面コイルに接続される送電回路(または受電回路)が送信(または受信)する高周波信号の基本波周波数成分を指す。
In equation (1), j is the imaginary unit, and ω is the angular frequency.
If the capacitance C is determined so that the loop coil resonates at a frequency twice the fundamental frequency, Z loop is expressed by the following equation (2).
The fundamental wave referred to here is the driving wave in
式(2)中、ω0は基本波角周波数である。
実部は周波数に依存しないので、基本波角周波数ω0におけるループコイルのインピーダンスZloopの虚部は次式(3)で現わされる。
In equation (2) , ω 0 is the fundamental wave angular frequency.
Since the real part does not depend on frequency, the imaginary part of the impedance Z loop of the loop coil at the fundamental wave angular frequency ω 0 is expressed by the following equation (3).
式(3)から明らかなように、基本波角周波数ω0におけるループコイルの自己インダクタンスLが小さい場合には、基本波角周波数ω0におけるループコイルのインピーダンスZloopは十分大きくならず、ループコイルに電流が誘起されやすくなる。
その結果、ループコイルにおける導体損、及びループコイルが誘電体基板上に設けられた場合であれば誘電体基板の材料による誘電体損が発生する。結果として、駆動周波数の電力の電力伝送効率が低下する。
As is clear from equation (3), when the self-inductance L of the loop coil at the fundamental wave angular frequency ω 0 is small, the impedance Z loop of the loop coil at the fundamental wave angular frequency ω 0 does not become sufficiently large, and a current is easily induced in the loop coil.
As a result, conductor loss occurs in the loop coil, and if the loop coil is provided on a dielectric substrate, dielectric loss occurs due to the material of the dielectric substrate, resulting in a decrease in the power transmission efficiency of the drive frequency power.
一方、基本波角周波数ω0におけるループコイルのインピーダンスZloopの虚部を十分大きくするために、ループコイルの共振周波数が基本波周波数よりも十分大きくなるよう、キャパシタの容量Cを決定することも考えられる。
しかし、上式(1)から明らかなように、ループコイルの共振周波数以下の周波数帯では、ループコイルのインピーダンスZloopの虚部はマイナスの値となり、ループコイルのインピーダンスZloopは容量性となる。
On the other hand, in order to make the imaginary part of the impedance Z loop of the loop coil at the fundamental wave angular frequency ω 0 sufficiently large, it is also possible to determine the capacitance C of the capacitor so that the resonant frequency of the loop coil is sufficiently higher than the fundamental wave frequency.
However, as is clear from the above formula (1), in a frequency band below the resonant frequency of the loop coil, the imaginary part of the impedance Z loop of the loop coil becomes a negative value, and the impedance Z loop of the loop coil becomes capacitive.
ループコイルのインピーダンスZloopが容量性のインピーダンスであると、平面コイルからの磁束とこの磁束によりループコイルに誘導された電流によるループコイルから放射される磁束が強め合い、ループコイルの共振周波数以下の周波数においては、ループコイルによる放射妨害波の抑圧効果は得られず、放射妨害波を抑圧できる周波数範囲が狭くなる。
要するに、放射妨害波の抑圧とループコイルの共振周波数を基本波周波数よりも十分大きくすることは両立しない。
If the impedance Z loop of the loop coil is a capacitive impedance, the magnetic flux from the planar coil and the magnetic flux radiated from the loop coil due to the current induced in the loop coil by this magnetic flux will reinforce each other, and at frequencies below the resonant frequency of the loop coil, the loop coil will not be able to suppress radiated interference waves, and the frequency range in which radiated interference waves can be suppressed will be narrowed.
In short, suppression of radiated interference waves and making the resonant frequency of the loop coil sufficiently higher than the fundamental wave frequency cannot be achieved at the same time.
本開示は上記した点に鑑みてなされたものであり、電力を伝送するコイルが伝送する電力の電力伝送効率に影響を与えず、電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数、つまり、電力伝送用コイルが送電用コイルである場合は送電用コイルに接続される送電回路が送信する基本波周波数、電力伝送用コイルが受電用コイルである場合は受電用コイルに接続される受電回路が受信する基本波周波数以外の周波数による不要な放射波を抑制する電力伝送コイルを得ることを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above-mentioned points, and aims to obtain a power transmission coil that does not affect the power transmission efficiency of the power transmitted by the coil transmitting power, and suppresses unnecessary radiation waves due to frequencies other than the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil, that is, the fundamental frequency transmitted by a power transmission circuit connected to the power transmission coil when the power transmission coil is a power transmission coil, or the fundamental frequency received by a power receiving circuit connected to the power receiving coil when the power transmission coil is a power receiving coil.
本開示に係る電力伝送コイルは、電力を伝送する電力伝送用コイルと、スリットを有するループ導体、及びループ導体のスリットにおける両方の開放端間に接続され、並列接続されたインダクタとキャパシタによる並列共振回路及び前記並列共振回路に直列接続された第2のインダクタを有する共振回路を具備し、電力伝送用コイルが電力を伝送する時に電力伝送用コイルが形成する電磁界が鎖交する位置に配置されるシールド導体とを備える。 The power transmission coil according to the present disclosure comprises a power transmission coil for transmitting power, a loop conductor having a slit, and a resonant circuit connected between both open ends of the slit of the loop conductor, the resonant circuit having a parallel resonant circuit consisting of an inductor and a capacitor connected in parallel and a second inductor connected in series to the parallel resonant circuit , and a shield conductor arranged at a position where the electromagnetic fields formed by the power transmission coil intersect when the power transmission coil transmits power.
本開示によれば、電力伝送用コイルが伝送する電力の電力伝送効率に影響を与えず、電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数以外の周波数による不要な放射波を抑制することができる。 According to the present disclosure, it is possible to suppress unnecessary radiation waves due to frequencies other than the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil without affecting the power transmission efficiency of the power transmitted by the power transmission coil.
実施の形態1.
実施の形態1に係る電力伝送コイルを図1から図7を用いて説明する。
実施の形態1に係る電力伝送コイルは、送電コイルから受電コイルに非接触により電力の伝送、つまり送電を行う電磁誘導を利用した磁界結合型電力伝送装置における、送電コイル又は受電コイルである。
本開示では送電コイル及び受電コイルを総称して電力伝送コイルといい、電力伝送コイルは送電コイル又は受電コイルのいずれか一方を指す。
A power transmission coil according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG.
The power transmission coil according to the first embodiment is a power transmission coil or a power receiving coil in a magnetic field coupling type power transmission device that uses electromagnetic induction to transmit power from a power transmission coil to a power receiving coil in a non-contact manner, that is, transmits power.
In this disclosure, the power transmitting coil and the power receiving coil are collectively referred to as a power transmission coil, and the power transmission coil refers to either the power transmitting coil or the power receiving coil.
送電コイルから受電コイルに非接触により電力の伝送を行う場合、受電コイルは送電コイルと電磁誘導が行われる位置、つまり、送電コイルが形成する電磁界が鎖交する位置に対向して配置される。
送電コイルに接続される送電回路が送電コイルに送信する高周波信号の基本波周波数において、送電コイルと受電コイルは共振関係にあるため、受電コイルは基本波周波数の電力に対しては効率よく受電し、基本波周波数以外の周波数の不要波においては、送電コイルと受電コイル間の結合が小さくなっているため、受電は抑制される。
When transmitting power from the power transmitting coil to the power receiving coil in a non-contact manner, the power receiving coil is placed opposite a position where electromagnetic induction occurs with the power transmitting coil, that is, a position where the electromagnetic fields generated by the power transmitting coil interlink.
At the fundamental frequency of the high-frequency signal transmitted to the transmitting coil by the transmitting circuit connected to the transmitting coil, the transmitting coil and the receiving coil are in a resonant relationship, so the receiving coil efficiently receives power at the fundamental frequency, but for unwanted waves at frequencies other than the fundamental frequency, the coupling between the transmitting coil and the receiving coil is small, so power reception is suppressed.
本開示の説明は、電力伝送コイルとして送電コイルに適用した例を示すが、受電コイルに適用した場合であっても送電コイルに適用した場合と同じ考え方に基づいた同様の構成となる。
また、送電コイルの送電用コイル及び受電コイルの受電用コイルを総称して電力伝送用コイルといい、送電コイルの場合、電力伝送用コイルは送電用コイルを指し、受電コイルの場合、電力伝送用コイルは受電用コイルを指す。
The explanation of the present disclosure will show an example in which the power transmission coil is applied to a power transmission coil, but even if the power reception coil is applied to the power transmission coil, the configuration will be similar to that of the power transmission coil, based on the same concept.
In addition, the power transmission coil of the power transmission coil and the power receiving coil of the power receiving coil are collectively referred to as power transmission coils, and in the case of a power transmission coil, the power transmission coil refers to the power transmission coil, and in the case of a power receiving coil, the power transmission coil refers to the power receiving coil.
電力伝送コイルが送電コイルの場合、電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数は、送電用コイルが形成する電磁界の基本波周波数であり、送電用コイルに接続される送電回路が送信する高周波信号の基本波周波数である。
電力伝送コイルが受電コイルの場合、電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数は、送電用コイルとの電磁誘導により受電して受電用コイルに形成された電磁界の基本波周波数であり、受電用コイルに接続される受電回路が受信する高周波信号の基本波周波数である。
説明が煩雑になるので、以下、送電コイルとして説明する。
When the power transmission coil is a power transmission coil, the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil is the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil, and is the fundamental frequency of the high-frequency signal transmitted by the power transmission circuit connected to the power transmission coil.
When the power transmission coil is a receiving coil, the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil is the fundamental frequency of the electromagnetic field formed in the receiving coil by receiving power through electromagnetic induction with the power transmission coil, and is the fundamental frequency of the high-frequency signal received by the receiving circuit connected to the receiving coil.
To avoid complicating the explanation, hereinafter, the explanation will be given as a power transmission coil.
送電コイルは、図1に示すように、送電用コイル1とシールド導体2を備える。
なお、本開示を受電コイルに適用した場合は、受電コイルは受電用コイルとシールド導体を備える。
送電用コイル1は送電回路3から送信された主に基本波周波数成分をもつ高周波信号が入力される。
送電用コイル1は送電回路3から入力された高周波信号に基づき、送電用コイル1の周囲に電磁界を形成し、形成された電磁界が対向する位置に置かれた受電コイル(図示せず)に鎖交することにより、受電用コイルに電磁界が形成され、受電コイルに電磁誘導により電力を伝送する。
As shown in FIG. 1 , the power transmission coil includes a
When the present disclosure is applied to a power receiving coil, the power receiving coil includes a power receiving coil and a shield conductor.
A high-frequency signal having mainly fundamental frequency components transmitted from a
Based on the high-frequency signal input from the
送電用コイル1から伝送された電力を受信した受電用コイルは、受電回路(図示せず)を介して接続された充電池などの負荷(図示せず)に電力を供給する。
なお、送電用コイル1と送電回路3との間に、インピーダンス整合のためのキャパシタが接続される。このインピーダンス整合用のキャパシタは送電回路3に含まれるものとして図示省略している。
送電用コイル1は、誘電体基板(図示せず)の表面上に、複数回巻回された平面パターンからなるコイルである。
The power receiving coil that receives the power transmitted from the
A capacitor for impedance matching is connected between the
The
シールド導体2は送電用コイル1の外側に配置される。
なお、シールド導体2は送電用コイル1の内側に配置される、もしくは上下に配置されるものでもよい。
シールド導体2は、ループ導体21と、並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222を有する共振回路22を具備する。
The
The
The
シールド導体2において、共振回路22により、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数に対してループ導体21が電気的に実質開放状態とされ、基本波周波数以外の周波数の不要波、この例においては、基本波周波数の2倍以上の周波数の不要波に対しては送電用コイル1に流れる高周波電流とは逆位相の電流がループ導体21に誘起される。
ループ導体21に電流が誘起されると、誘起された電流によってループ導体21の周囲に磁界が形成される。
なお、基本波周波数未満の周波数に対しても不要波として、ループ導体21に電流が誘起され、誘起された電流によってループ導体21の周囲に磁界が形成される。
In the
When a current is induced in the
In addition, even for frequencies less than the fundamental frequency, a current is induced in the
送電用コイル1に流れる高調波周波数の高周波電流によって形成される磁界とループ導体21に誘起された逆位相の高周波電流によって形成される磁界はほぼ逆位相となり、打ち消しあう。
すなわち、シールド導体2は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数に対してループ導体21に電流が誘起され難く、基本波周波数以外の周波数、特に放射妨害波を抑制したい不要波の周波数に対してループ導体21に電流が誘起されるという特性を持つ。
The magnetic field formed by the high-frequency current of harmonic frequency flowing through the
In other words, the
その結果、シールド導体2は送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数、つまり、伝送される電力の基本波周波数に対しては影響を与えず、不要波の周波数に対しては送電用コイル1の周囲に形成される電磁界が弱められる。
要するに、伝送される電力の基本波周波数に対しては電力伝送効率が低下することが避けられ、送電用コイル1に流れる不要波の周波数の電流による放射ノイズはループ導体21に誘起された逆位相の高周波電流による放射により抑制される。
本開示では、電力伝送効率を送電用コイル1に給電した電力と受電用コイルが受電し出力した電力の比と定義する。
As a result, the shielding
In short, a decrease in power transmission efficiency is avoided for the fundamental frequency of the transmitted power, and radiation noise caused by currents of unwanted wave frequencies flowing through the
In this disclosure, power transmission efficiency is defined as the ratio of the power supplied to the
ループ導体21は、送電用コイル1が電力を伝送する時に送電用コイル1が形成する電磁界が鎖交する位置に配置される。
ループ導体21は、誘電体基板の表面上に、送電用コイル1の外周を囲うように1回巻回されたループ状の平面パターンからなる導体である。
ループ導体21は、ループの終端にスリット211が形成された無給電の導体である。
The
The
The
ループ導体21は、送電用コイル1の外側に配置される。
なお、ループ導体21は、送電用コイル1が形成する電磁界が鎖交することによってループ導体21に十分な電流が誘起される程度に近傍に配置されていればよく、送電用コイル1の内側に配置される、もしくは上下に配置されるものでもよい。ループ導体21は、送電用コイル1と同一平面上にある必要はない。
ループ導体21の太さが送電用コイル1の太さより太い。言い換えれば、ループ導体21の線の幅が送電用コイル1の線の幅より広い。
The
The
The thickness of the
並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222は並列共振回路22を構成する。
並列共振回路22はループ導体21のスリット211における両方の開放端間に接続される。
すなわち、インダクタ221の一方の端子はスリット211における一方の開放端に電気的に接続され、他方の端子は他方の開放端に電気的に接続される。
同様に、キャパシタ222の一方の端子はスリット211における一方の開放端に電気的に接続され、他方の端子は他方の開放端に電気的に接続される。
インダクタ221とキャパシタ222は誘電体基板の表面上に一般的に知られている製法により形成される。
The
The parallel
That is, one terminal of
Similarly, one terminal of the
The
並列共振回路22は、シールド導体2のインピーダンスを送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数では大きくして誘起される電流を小さくし、基本波周波数以外の周波数、つまり、抑制したい不要波である放射妨害波の周波数においてはシールド導体2のインピーダンスを小さくして電流が誘起されやすくする。
並列共振回路22による共振周波数は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数である。
本例において、抑制したい不要波の周波数を基本波周波数f0の2倍以上の周波数に設定する。但し、2倍の周波数に限られるものではない。
The parallel
The resonant frequency of the parallel
In this example, the frequency of the spurious wave to be suppressed is set to a frequency that is at least twice the fundamental wave frequency f 0. However, the frequency is not limited to twice the fundamental wave frequency.
また、並列共振回路22を構成するインダクタ221のインダクタンスLとキャパシタ222のキャパシタンスCはω0C=1/ω0Lを満足する値である。
ω0は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数であり、送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数での角周波数である。
この点について、以下に詳しく説明する。
Moreover, the inductance L of the
ω 0 is the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
This point will be explained in more detail below.
シールド導体2の等価回路図を図2に示す。
図2において、RLはループ導体21のインピーダンスのうちレジスタンス、LLはループ導体21のインピーダンスのうちのインダクタンス、Lはインダクタ221のインダクタンス、Cはキャパシタ222のキャパシタンスを示す。
シールド導体2のインピーダンスZは次式(4)で現わされる。
An equivalent circuit diagram of the
In FIG. 2, R L denotes the resistance of the impedance of the
The impedance Z of the
送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0(角周波数はω0)でシールド導体2のインピーダンスZを大きくして誘起される電流を小さくするための条件はインダクタ221のインダクタンスLとキャパシタ222のキャパシタンスCから成る並列共振回路が共振する条件と等しく、インダクタンスLとキャパシタンスCが次式(5)を満足する場合である。
The condition for increasing the impedance Z of the
式(5)満足すると、式(4)における第3項が無限大となり、シールド導体2は電気的に開放、つまり、ループ導体21が並列共振回路22において開放されているのと等しくなる。
従って、角周波数ω0である送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0においてループ導体21に電流は誘起されない。
その結果、送電用コイル1から受電用コイルへ伝送される基本波周波数f0の電力は、シールド導体2に影響されず、受電用コイルで受電されるため、電力伝送効率は低下しない。
When equation (5) is satisfied, the third term in equation (4) becomes infinite, and the
Therefore, no current is induced in the
As a result, power of fundamental frequency f 0 transmitted from the
次に、インダクタ221のインダクタンスLとキャパシタ222のキャパシタンスCの決定方法について述べる。
上記で述べたように、インダクタ221とキャパシタ222から成る並列共振回路が共振する共振周波数は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0と一致していることを条件としているので、インダクタンスLとキャパシタンスCは次式(6)を満たす範囲で自由度がある。
Next, a method for determining the inductance L of the
As described above, the resonant frequency at which the parallel resonant circuit consisting of the
一方、シールド導体2によって電磁界が弱められる効果が得られるのは、シールド導体2のインピーダンスZが誘導性の場合のみである。
図2に示した等価回路を構成するシールド導体2のインピーダンスZの位相は、模式的に図3のように変化する。
図3において、横軸が送電用コイル1に供給される電力の伝送周波数、縦軸がシールド導体2のインピーダンスZの位相を示し、周波数F1は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0、周波数F2が上式(4)で示すシールド導体2のインピーダンスZの虚部が0になる周波数、すなわちシールド導体2の共振周波数である。
図3から明らかなように、基本波周波数f0(F1)未満の周波数、及びシールド導体2の共振周波数F2以上の周波数に対してシールド導体2により電磁界が弱められる効果が得られる。
On the other hand, the effect of weakening the electromagnetic field by the
The phase of the impedance Z of the
In Figure 3, the horizontal axis indicates the transmission frequency of the power supplied to the
As is clear from FIG. 3, the effect of weakening the electromagnetic field by the
従って、シールド導体2の共振周波数F2以上の周波数の放射妨害波を抑制するためのシールド導体2のインピーダンスZを誘導性とするための条件は、シールド導体2の共振周波数F2をf0×Bとした場合、次式(7)により現わされる。
Therefore, the condition for making the impedance Z of the
式(7)において、Lはインダクタ221のインダクタンス、LLはループ導体21のインピーダンスのうちのインダクタンスである。
送電コイルから放射される放射妨害波は、基本波周波数f0の逓倍の周波数に発生する高調波が主と考えられる。
本例において、抑制したい不要波の周波数を基本波周波数f0の2倍以上の周波数に設定すると、式(7)において次式(8)において示すようにBを2とする。
In equation (7), L is the inductance of the
The radiated interference waves emitted from the power transmission coil are considered to be mainly harmonics generated at frequencies that are multiples of the fundamental frequency f0 .
In this example, if the frequency of the spurious wave to be suppressed is set to a frequency equal to or greater than twice the fundamental wave frequency f 0 , then in equation (7), B is set to 2 as shown in the following equation (8).
そして、インダクタンスLとキャパシタンスCを式(6)及び式(8)に基づいて決定する。
その結果、シールド導体2は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0、つまり、伝送される電力の基本波周波数f0に対しては影響を与えず、基本波周波数f0の2倍以上の周波数である高調波、つまり不要波を抑圧できる。
Then, the inductance L and the capacitance C are determined based on the equations (6) and (8).
As a result, the
シールド導体2による効果を、有限要素法によって求めた数値シミュレーション結果によって検証した。
シミュレーションでは、送電コイルは送電用コイル1と、ループ導体21、及び並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222を有する共振回路22を具備するシールド導体2を備える。
受電コイルも送電コイルと構成要素、物理的サイズ、及び部品の値をすべて同じとした。
送電コイルと受電コイルを5mmの間隔で対向配置した。
The effect of the
In the simulation, the transmitting coil includes a transmitting
The receiving coil had the same components, physical size, and component values as the transmitting coil.
The power transmitting coil and the power receiving coil were placed facing each other with a gap of 5 mm between them.
送電コイルにおいて、送電用コイル1は横×縦のサイズを40mm×20mm、巻き数を4回とし、送電用コイル1の線路の幅を0.5mm、隣接する線路の間隔を1.5mmとした。
また、ループ導体21は、横×縦のサイズを51.5mm×31.5mm、巻き数を1回、線幅5mmとした。
In the power transmission coil, the
The
送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0、つまり、送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数f0は13.56MHzであり、キャパシタ222のキャパシタンスCを基本波周波数f0の2倍の周波数の不要波の抑圧量を大きく、つまり最大とするため3,200pFとした。
また、インダクタ221のインダクタンスLはキャパシタ222と基本波周波数f0(13.56MHz)で共振する43nHとした。
なお、送電用コイル1及びループ導体21以外は無損失の材料を仮定した。
The fundamental frequency f0 of the electromagnetic field formed by the
Moreover, the inductance L of the
It is assumed that materials other than the
受電コイルも送電コイルと全く同じである。
また、電力伝送効率を入力ポートから送電用コイル1に給電した電力と、受電用コイルが受電し出力ポートに出力した電力の比と定義する。
入力ポートと出力ポートはそれぞれ、基本波周波数f0において送電用コイル1と受電用コイルそれぞれとインピーダンス整合が取れているとする。
The receiving coil is exactly the same as the transmitting coil.
Moreover, the power transmission efficiency is defined as the ratio of the power supplied from the input port to the
It is assumed that the input port and the output port are impedance-matched with the
上記した前提条件の下、送電コイルから受電コイルへ伝送する電力の基本波周波数に対する電力伝送効率を検証した。
検証した結果を図4に示す。
図4において、横軸が送電コイルから受電コイルへ伝送する電力の伝送周波数、縦軸が電力伝送効率を示し、曲線Aが実施の形態1に係る電力伝送コイルを用いた場合(以下、本例という)の検証結果である。
Under the above preconditions, the power transmission efficiency for the fundamental frequency of the power transmitted from the power transmitting coil to the power receiving coil was verified.
The results of the verification are shown in Figure 4.
In Figure 4, the horizontal axis indicates the transmission frequency of power transmitted from the transmitting coil to the receiving coil, the vertical axis indicates the power transmission efficiency, and curve A is the verification result when the power transmission coil of
なお、比較のために、比較例1として、シールド導体2がない、つまり、送電用コイルのみの送電コイルと受電用コイルのみの受電コイルを用いたもの、比較例2として、シールド導体として環状のループ導体とした送電コイルとシールド導体として環状のループ導体とした受電コイルを用いたものを合わせて検証した。
比較例1及び比較例2ともに、本例と相違する以外は全く同じとしている。
図4において、比較例1の検証結果を曲線B、比較例2の検証結果を曲線Cとして示す。
For comparison, comparative example 1 was tested in which there was no
Both Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are exactly the same as this example except for the differences.
In FIG. 4, the verification results of Comparative Example 1 are shown as curve B, and the verification results of Comparative Example 2 are shown as curve C.
図4から明らかなように、基本波周波数f0(13.56MHz)に対して本例及び比較例1における電力伝送効率は86.5%と等しい。
すなわち、本例はシールド導体2がない比較例1と同じ結果が得られ、本例におけるシールド導体2は基本波周波数f0の電力を伝送するに際して全く影響しておらず、電力伝送効率の低下がないことがわかる。
一方、基本波周波数f0に対して比較例2の基本波周波数f0における電力伝送効率は70.6%であり、本例及び比較例1と比較して15.9パーセントポイント劣化しており、環状のループ導体からなるシールド導体が、電力伝送効率の低下をきたしている。
As is clear from FIG. 4, the power transmission efficiency for the fundamental frequency f 0 (13.56 MHz) in this example and comparative example 1 is equal, 86.5%.
In other words, the same results were obtained in this example as in Comparative Example 1, which did not have a shielding
On the other hand, the power transmission efficiency at the fundamental frequency f 0 in Comparative Example 2 is 70.6% relative to the fundamental frequency f 0 , which is a deterioration of 15.9 percentage points compared to this example and Comparative Example 1. The shield conductor made of an annular loop conductor causes a decrease in the power transmission efficiency.
以上のことから明らかなように、シールド導体2におけるインダクタ221とキャパシタ222を有する並列共振回路22が基本波周波数f0で共振することにより、ループ導体21に電流が誘起されることがなく、電力伝送効率の低下を回避していると言える。
As is clear from the above, it can be said that the parallel
シールド導体2における基本波周波数f0以外の周波数の不要波に対する抑圧効果の検証結果を図5に示す。
図5は、送電コイル中心から200mm離れた点での本例の磁界強度と送電コイル中心から200mm離れた点での比較例1の磁界強度の差を抑圧効果として示したものである。
図5において、横軸が送電コイルから受電コイルへ伝送される電力の伝送周波数、縦軸が抑圧効果を示し、曲線A1が本例の検証結果である。
FIG. 5 shows the results of verification of the suppression effect of the
FIG. 5 shows the difference in magnetic field strength between this example at a
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the transmission frequency of the power transmitted from the power transmitting coil to the power receiving coil, the vertical axis indicates the suppression effect, and curve A1 is the verification result of this example.
また、曲線A2は本例において、ループ導体21の線幅を1mmとし、キャパシタ222のキャパシタンスCを基本波周波数f0の2倍の周波数の不要波の抑圧量を大きく、つまり最大とするため1,000pFとし、インダクタ221のインダクタンスLはキャパシタ222と基本波周波数f0で共振する138nHとしたシールド導体2(本例2)の検証結果を示す。
Curve A2 shows the verification result of the shield conductor 2 (Example 2) in which the line width of the
図5から明らかなように、基本波周波数f0(図5において左から2番目のマーカー)に対して本例と比較例1との磁界強度の差はなく、本例は、比較例1との磁界強度の差、つまり、抑圧効果が基本波周波数f0の2倍の周波数27.12MHzに対して最大(略30dB)となり、基本波周波数f0の2倍の周波数を超えた周波数に対しても10dB~15dBの抑圧効果が得られる。 As is clear from FIG. 5, there is no difference in magnetic field strength between this example and comparative example 1 for the fundamental frequency f 0 (the second marker from the left in FIG. 5). In this example, the difference in magnetic field strength from comparative example 1, that is, the suppression effect, is maximum (approximately 30 dB) for a frequency of 27.12 MHz that is twice the fundamental frequency f 0 , and a suppression effect of 10 dB to 15 dB is obtained even for frequencies exceeding twice the fundamental frequency f 0 .
また、基本波周波数f0に対して本例2と比較例1との磁界強度の差はなく、本例2は抑圧効果が基本波周波数f0の2倍の周波数27.12MHzに対して最大(略25dB)となり、基本波周波数f0の2倍の周波数を超えた周波数に対しても5dB~10dBの抑圧効果が得られる。
なお、本例及び本例2ともに、電力の伝送周波数が20MHz(図5において左から3番目のマーカー)に対しても基本波周波数f0と同様に比較例1との磁界強度の差はない。
Furthermore, there is no difference in magnetic field strength between Example 2 and Comparative Example 1 for the fundamental frequency f0 , and in Example 2, the suppression effect is maximum (approximately 25 dB) for a frequency of 27.12 MHz that is twice the fundamental frequency f0 , and a suppression effect of 5 dB to 10 dB can be obtained for frequencies exceeding twice the fundamental frequency f0 .
In addition, in both this example and this example 2, there is no difference in magnetic field strength from Comparative Example 1 for a power transmission frequency of 20 MHz (the third marker from the left in FIG. 5), similar to the fundamental wave frequency f 0 .
以上のことから明らかなように、シールド導体2におけるインダクタ221とキャパシタ222を有する並列共振回路22が、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0で共振することにより、基本波周波数f0に対してループ導体21に電流が誘起されることがなく、電力伝送効率の低下を回避し、基本波周波数f0の2倍以上の周波数に対してシールド導体2のインピーダンスが小さく、ループ導体21に電流が誘起され、2倍以上の周波数の不要波の外部への放射を抑圧している。
As is clear from the above, the parallel
また、周波数F1、つまり基本波周波数f0以上、周波数F2、つまり基本波周波数f0の2倍の周波数未満の周波数に対し、図3から明らかなようにシールド導体2により電磁界が弱められることがなく、図4から明らかなようにシールド導体2により電力伝送効率の低下を回避している。
一方、周波数F1未満及び周波数F2以上に対し、図3から明らかなようにシールド導体2により電磁界が弱められ、放射妨害波を抑圧している。
Furthermore, for frequency F1, i.e., frequencies equal to or higher than the fundamental frequency f0 , and frequency F2, i.e., frequencies less than twice the fundamental frequency f0 , the electromagnetic field is not weakened by the
On the other hand, for frequencies less than F1 and equal to or greater than F2, as is clear from FIG. 3, the electromagnetic field is weakened by the
したがって、送電用コイル1が形成する電磁界の周波数が周波数F1以上周波数F2未満の周波数に対し、シールド導体2により電磁界が弱められることがなく、電力伝送効率の低下を回避できるので、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数が周波数F1以上周波数F2未満の周波数に対して実施の形態1に係る電力伝送コイルに有効である。
このことは、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数に対して並列共振回路22による共振周波数が低ければ良いことを意味している。
すなわち、並列共振回路22による共振周波数は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数に限られるものではなく、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数に対して低い周波数でよい。
Therefore, for frequencies of the electromagnetic field formed by the
This means that it is sufficient that the resonant frequency of the parallel
That is, the resonant frequency of the parallel
ループ導体21の幅を送電用コイル1の幅より広くし、線幅をより広くする、例えば1mmより5mmにすることにより、ループ導体21のインダクタンスがより小さくなるため、ループ導体21に誘起される電流はより大きくなり、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0の2倍の周波数を超えた周波数に対してより高い磁界の抑圧効果が得られる。
なお、ループ導体21のインダクタンスを小さくすればよいので、線幅を広くするに限られず、線の厚さを厚くしてもよく、要はループ導体21の太さを送電用コイル1の太さより太くすればよい。
By making the width of the
In addition, since it is only necessary to reduce the inductance of the
ループ導体21を誘電体基板上に形成する場合、ループ導体21の線の厚さを厚くする方法として、誘電体基板の表面と裏面にそれぞれ設け、表面に形成された導体層と裏面に形成された導体層とをスルーホールで接続することで、ループ導体21の実効的な厚さを厚くする。
このようにしてループ導体21の厚み方向を厚くすることにより、送電コイルに必要となる回路面積の増大を最小限に抑えつつ、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0の2倍以上の周波数の不要波の抑圧効果が得られる。
When
In this way, by increasing the thickness direction of the
また、ループ導体21のインピーダンスのうちのインダクタンスLLを小さくすることにより、シールド導体2のインピーダンスを小さくでき、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0に対してループ導体21に電流が誘起されることがなく、電力伝送効率の低下を回避し、基本波周波数f0の2倍以上の周波数に対してループ導体21に電流が誘起され、2倍以上の周波数の不要波の外部への放射を抑圧できる。
すなわち、シールド導体2のインピーダンスZは上式(4)で現わされ、ループ導体21のインダクタンスLLが小さくなることは、基本波周波数f0において上式(4)の虚部が無限大になる基本波周波数f0以外の周波数において、上式(4)のインピーダンスの絶対値が小さくなる。
Furthermore, by reducing the inductance L L of the impedance of the
That is, the impedance Z of the
並列共振回路22を構成するインダクタ221のインダクタンスLとキャパシタ222のキャパシタンスCを、上式(4)により求められるシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|が、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0において無限大、基本波周波数f0の2倍の周波数においてループ導体21のインピーダンスのうちレジスタンスRLとなる値に設定し、ループ導体21のインダクタンスLLとシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|との関係の検証結果を図6に示す。
The inductance L of the
図6において、横軸が、送電コイルが形成する電磁界の基本波周波数f0により規格化された値、縦軸がシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|を示す。
図6において、曲線A3がループ導体21のインダクタンスLLを10nHにした場合の規格化されたシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|を示し、曲線A4がループ導体21のインダクタンスLLを100nHにした場合の規格化されたシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|を示す。
6, the horizontal axis represents the value normalized by the fundamental frequency f 0 of the electromagnetic field generated by the power transmitting coil, and the vertical axis represents the absolute value |Z| of the impedance of the
In FIG. 6, curve A3 shows the absolute value |Z| of the impedance of the normalized
図6に曲線A3及び曲線A4に示すように、シールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|が基本波周波数f0において無限大、基本波周波数f0の2倍の周波数においてループ導体21のインピーダンスのうちレジスタンスRLとなる値に設定されており、ループ導体21のインダクタンスLLをより小さくする、例えば、100nHより10nHにすることにより、基本波周波数f0未満まで、基本波周波数f0を超えた周波数から基本波周波数f0の2倍の周波数未満まで、及び基本波周波数f0の2倍を超えた周波数に対してシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|を大幅に小さくできる。
その結果、ループ導体21のインダクタンスLLをより小さくすると、基本波周波数f0以外の周波数に対してループ導体21に誘起される電流を大きくでき、基本波周波数f0以外の周波数の不要波における磁界の抑圧効果を大きくできる。
As shown by curves A3 and A4 in FIG. 6 , the absolute value |Z| of the impedance of the
As a result, by making the inductance L L of the
送電コイルにおける放射効率の検証結果を図7に示す。
放射効率は入力ポートから送電用コイル1に給電した電力のうち、遠方に放射された全電力の割合である。
図7において、横軸が送電コイルから受電コイルへ伝送される電力の伝送周波数、縦軸が放射効率を示す。
FIG. 7 shows the verification results of the radiation efficiency of the transmitting coil.
The radiation efficiency is the ratio of the total power radiated far away to the total power supplied from the input port to the
In FIG. 7, the horizontal axis represents the transmission frequency of the power transmitted from the power transmitting coil to the power receiving coil, and the vertical axis represents the radiation efficiency.
図7から明らかなように、本例の放射効率は比較例2の放射効率に対して、周波数が230MHzで比較すると、11.9dBの放射効率の低下がみられる。
すなわち、本例においては、送電用コイル1の近傍の磁界が抑圧されるだけでなく、遠方への放射も10dB以上抑圧される。
以上のシミュレーション結果から理解されるように、実施の形態1に係る電力伝送コイルは、電力伝送効率を維持しつつ周囲への放射妨害波を抑制できる。
As is clear from FIG. 7, when comparing the radiation efficiency of this example with the radiation efficiency of Comparative Example 2 at a frequency of 230 MHz, a decrease in radiation efficiency of 11.9 dB is observed.
That is, in this example, not only is the magnetic field in the vicinity of the
As can be seen from the above simulation results, the power transmission coil according to
なお、本例において、図4に示すように、送電用コイル1から受電用コイルへ伝送される電力の周波数が20MHzに対して電力伝送効率は65%を示し、改善されている。
すなわち、本例においては、送電用コイル1から受電用コイルへ伝送される電力の周波数が13.56MHzと20MHzの2つの周波数に対してシールド導体2におけるインダクタ221とキャパシタ222を有する並列共振回路22が共振することにより、電力伝送効率が改善する。
In this example, as shown in FIG. 4, the power transmission efficiency is improved to 65% when the frequency of the power transmitted from the
That is, in this example, the power transmission efficiency is improved by the parallel
第1の電力伝送効率のピークとなる周波数は並列共振回路の共振周波数、この例においては送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0とし、第2の電力伝送効率のピークとなる周波数をインダクタ221のインダクタンスLとキャパシタ222のキャパシタンスCを設定することにより調整できる。
要するに、本例を適用した電力伝送装置は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0、つまり、伝送される電力の基本波周波数f0と他の周波数の2つの周波数に対して効率よく電力の伝送を行える。
The frequency at which the first power transmission efficiency peaks is the resonant frequency of the parallel resonant circuit, which in this example is the fundamental frequency f0 of the electromagnetic field formed by the
In short, the power transmission device to which this example is applied can efficiently transmit power at two frequencies: the fundamental frequency f 0 of the electromagnetic field formed by the
例えば、6.78MHzと13.56MHzの2つのISMバンドにおいて、電力伝送効率が良い本例、つまり送電コイルを適用することにより、基本波周波数が6.78MHzの電力と基本波周波数が13.56MHzの電力を同時に送信できる電力伝送装置、又は基本波周波数が6.78MHzの電力と基本波周波数が13.56MHzの電力を切り替えられる無線電力伝送装置が得られる。For example, by applying this example, i.e., a transmission coil, which has good power transmission efficiency in the two ISM bands of 6.78 MHz and 13.56 MHz, a power transmission device can be obtained that can simultaneously transmit power with a fundamental frequency of 6.78 MHz and power with a fundamental frequency of 13.56 MHz, or a wireless power transmission device that can switch between power with a fundamental frequency of 6.78 MHz and power with a fundamental frequency of 13.56 MHz.
この場合、6.78MHzと13.56MHzの一方の周波数が第1の基本波周波数、6.78MHzと13.56MHzの他方の周波数が第2の基本波周波数であり、両者とも基本波周波数であり、インダクタ221とキャパシタ222を有する並列共振回路22における共振周波数はいずれか一方の基本波周波数に設定される。In this case, one of the frequencies 6.78 MHz and 13.56 MHz is the first fundamental frequency, and the other frequency of 6.78 MHz and 13.56 MHz is the second fundamental frequency, both of which are fundamental frequencies, and the resonant frequency in the parallel
さらに、高い電力伝送効率の2つのピークとなる周波数を近接させることにより、電力伝送効率のピークを送電コイルから伝送される電力の周波数に対して実質的に広帯域化することができる。
こうした場合、電力伝送コイルの製造誤差及び送受信間隔の変化、その他環境の変化に対するロバスト性を向上させることができる。
Furthermore, by bringing the frequencies at which the two peaks of high power transmission efficiency occur close to each other, the peak of power transmission efficiency can be made substantially broadband with respect to the frequency of the power transmitted from the power transmitting coil.
In this case, it is possible to improve robustness against manufacturing errors in the power transmission coil, changes in the transmission/reception interval, and other environmental changes.
以上に述べたように、実施の形態1に係る電力伝送コイルは、スリット211を有するループ導体21、及びループ導体21のスリット211における両方の開放端間に接続され、並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222を有する共振回路22を具備し、送電用コイル1から受電用コイルへ電力を伝送する時に送電用コイル1が形成する電磁界が鎖交する位置に配置されるシールド導体2を備えたものとしたので、送電用コイル1から受電用コイルへ伝送する電力の電力伝送効率に影響を与えず、伝送する電力の基本波周波数以外の周波数の不要な放射波を抑制する。As described above, the power transmission coil of
実施の形態1に係る電力伝送コイルにおいて、並列共振回路22による共振周波数を送電用コイル1から伝送される電力の基本波周波数とする。また、並列共振回路22を構成するインダクタ221のインダクタンスLとキャパシタ222のキャパシタンスCはω0C=1/ω0Lを満足する値とする。
In the power transmission coil according to the first embodiment, the resonant frequency of the parallel
このように構成したことにより、電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数に対してループ導体21に電流が誘起されることがなく、電力伝送効率の低下を回避できる。
しかも、キャパシタ222のキャパシタンスCは電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数の2倍の周波数の不要波を抑圧する値に設定され、電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数の2倍以上の周波数である不要波に対しての抑圧効果が得られる。
With this configuration, a current is not induced in the
Furthermore, the capacitance C of
すなわち、並列共振回路22が、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数で共振することにより、伝送される電力の基本波周波数に対してループ導体21に電流が誘起されることがなく、電力伝送効率の低下を回避し、基本波周波数の2倍以上の周波数に対してシールド導体2のインピーダンスが小さく、ループ導体に電流が誘起され、基本波周波数の2倍以上の周波数の不要波の外部への放射を抑圧している。In other words, the parallel
また、実施の形態1に係る電力伝送コイルにおいて、並列共振回路22による共振周波数を送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数にすることにより、基本波周波数の2倍未満の周波数の電力において電力伝送効率の第2のピークを設定でき、基本波周波数の周波数以外に第2の基本波周波数を得ることができ、2つの周波数に対して同時にもしくは切り替えて伝送できる。
さらに、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数の周波数に対する電力伝送効率の第1のピークと、基本波周波数の周波数と異なる周波数に対する電力伝送効率の第2のピークを近接することにより、伝送される電力の周波数に対して実質的に広帯域化が図れる。
Furthermore, in the power transmission coil according to
Furthermore, by bringing the first peak of the power transmission efficiency for the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
なお、電力伝送用コイルを送電用コイル1とした場合は並列共振回路22による共振周波数を送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数であり、送電用コイルに接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数としたが、電力伝送用コイルを受電用コイルとした場合は並列共振回路22による共振周波数は電磁誘導により受電して受電用コイルに形成される電磁界の基本波周波数であり、受電用コイルに接続される受電回路が受信する高周波信号の基本波周波数である。
いずれにしても並列共振回路22による共振周波数は送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数である。
要は、並列共振回路22による共振周波数は電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数である。
When the power transmission coil is the
In any case, the resonant frequency of the parallel
In short, the resonant frequency of the parallel
実施の形態2.
実施の形態2に係る電力伝送コイルを、図8を用いて説明する。
実施の形態2に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルに対して、シールド導体2におけるインピーダンスの周波数特性と異なる第2のシールド導体2Aを設けた点が相違し、その他の点については同じである。
図8中、図1に付された符号と同一符号は同一又は相当部分を示す。
Second embodiment A power transmission coil according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
The power transmission coil of
In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
第2のシールド導体2Aは第1のシールド導体2の外側に配置される。
なお、第2のシールド導体2Aは第1のシールド導体2の内側に配置される、もしくは上下に配置されるものでもよい。
第2のシールド導体2Aは、スリット211Aを有するループ導体21Aと、ループ導体21Aのスリット211Aにおける両方の開放端間に接続され、並列接続されたインダクタ221Aとキャパシタ222Aを有する並列共振回路22Aを具備する。
The
The
The
第2のシールド導体2Aは、送電用コイル1が電力を伝送する時に送電用コイル1が形成する電磁界が鎖交する位置に配置される。
ループ導体21Aは、誘電体基板の表面上に、第1のシールド導体2の外周を囲うように1回巻回されたループ状の平面パターンからなる導体である。
ループ導体21Aは、ループの終端にスリット211Aが形成された無給電の導体である。
The
The
The
第2のシールド導体2Aのインピーダンスを第1のシールド導体2のインピーダンスと異なる値とし、並列共振回路22Aの共振周波数を並列共振回路22の共振周波数と異なる周波数とした。
すなわち、送電用コイル1から受電用コイルヘ伝送される電力の周波数が第2のシールド導体2Aにおける並列共振回路22Aの共振周波数に一致する場合においても電力伝送効率が改善される。
The impedance of the
That is, even when the frequency of the power transmitted from the
その結果、第1のシールド導体2により電力伝送効率が改善された、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数に加えて、第2のシールド導体2Aにより電力伝送効率が改善される周波数に対しても電力の伝送が可能になる。
なお、並列共振回路22の共振周波数は、実施の形態1に説明したと同様に、送電コイルが形成する電磁界の基本波周波数であり、送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数である。
また、並列共振回路22Aの共振周波数は、送電コイルが形成する電磁界の基本波周波数の2倍未満の周波数である。
As a result, in addition to the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
As described in the first embodiment, the resonant frequency of the parallel
The resonant frequency of the parallel
並列共振回路22Aの共振周波数は、第1のシールド導体2により電力伝送効率がピークを持つ送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数と電力伝送効率が第2のピークを持つ第2の周波数とは異なる第3の周波数である。
第2のシールド導体2Aを配置することにより、送電コイルから受電コイルヘ伝送される電力の第3の周波数においても電力伝送効率のピークを持たせることができる。
The resonant frequency of the parallel
By providing the
その結果、送電用コイル1から受電用コイルヘ伝送される電力において、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数の2倍未満の周波数の電力に対して、第1のシールド導体2により電力伝送効率が第1のピークを持つ基本波周波数と電力伝送効率が第2のピークを持つ第2の周波数を設定でき、第2のシールド導体2Aにより電力伝送効率が第3のピークを持つ第3の周波数を設定できる。As a result, for power transmitted from the transmitting
従って、実施の形態2に係る電力伝送コイルは、3つの周波数の電力に対して同時にもしくは切り替えて伝送できる。
さらに、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数と第2の周波数及び第3の周波数が近接するように設定することにより、送電コイルから伝送される電力の周波数に対して広帯域化が図れる。
Therefore, the power transmission coil according to the second embodiment can transmit power of three frequencies simultaneously or switch between them.
Furthermore, by setting the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
なお、第1のシールド導体2及び第2のシールド導体2Aとは並列共振回路の共振周波数が異なる第3のシールド導体、第4のシールド導体、・・・のように並列共振回路の共振周波数が互いに異なる複数のシールド導体を配置し、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数の2倍未満の周波数において、それぞれがそれぞれ異なる電力伝送効率のピークを示す複数の周波数を有するものとすれば、送電用コイル1から受電用コイルヘ伝送される電力の周波数に対してさらなる広帯域化が図れる。
Furthermore, by arranging multiple shield conductors whose parallel resonant circuits are different from each other, such as a third shield conductor, a fourth shield conductor, ... whose parallel resonant circuits have different resonant frequencies from the
以上に述べたように、実施の形態2に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルと同様の効果を有する他、伝送される電力の周波数に対してさらなる広帯域化が図れる。As described above, the power transmission coil of
実施の形態3.
実施の形態3に係る電力伝送コイルを、図9を用いて説明する。
実施の形態3に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルに対して、シールド導体2における共振回路22を構成する並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222をそれぞれ可変インダクタ223と可変キャパシタ224とし、可変インダクタ223と可変キャパシタ224を制御する制御部4、及び動作状態を監視する動作状態監視部5を備えた点が相違し、その他の点については同じである。
図9中、図1に付された符号と同一符号は同一又は相当部分を示す。
A power transmission coil according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
The power transmission coil of
In FIG. 9, the same reference numerals as those in FIG. 1 designate the same or corresponding parts.
実施の形態3に係る電力伝送コイルは、送電コイル及び受電コイルの動作状態に応じて、上式(5)の条件を満足した状態で可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを制御部4であるコントローラが制御する。
In the power transmission coil of
すなわち、送電コイル及び受電コイルの動作状態において、(a)送電回路3からの送信電力レベル等により送電用コイル1から放射される不要波の周波数成分が変化する、(b)受電コイルに接続される負荷の値が変化したことにより送電回路3が送信する不要波の周波数成分が変化する、(c)送電回路3から送信される不要波レベルが一定であったとしても、受電コイルに接続される負荷が変化したことにより送電コイルと受電コイルとの間の結合が変化し、周囲へ放射される妨害波レベルが変化する場合がある。That is, in the operating state of the transmitting coil and the receiving coil, (a) the frequency components of the unwanted waves radiated from the transmitting
実施の形態3に係る電力伝送コイルは、このように、送電コイル及び受電コイルの動作状態において、不要波の周波数成分が変化するのを動作状態監視部5が監視し、制御部4が動作状態監視部5からの状態監視信号を受けて、可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変化させるコントロール信号を出力する。In the power transmission coil of
動作状態監視部5は、送電コイル及び受電コイルの動作状態を監視し、状態監視信号を制御部4に出力する。
動作状態監視部5は、送電用コイル1から放射される電磁波による電磁界強度を検出し、検出した電磁界強度を示す状態監視信号を出力するアンテナである。
なお、動作状態監視部5は、導線が巻回されたコイルからなるアンテナに限られるものではなく、送電用コイル1から放射される電磁波を検知できるものであればよく、また、マイクロ波帯の放射妨害波となる不要波に着目した場合は、ダイポール又はモノポール方式のアンテナがよい。
The operation
The operation
In addition, the operation
制御部4は動作状態監視部5からの電磁界強度を示す状態監視信号を受け、状態監視信号が示す電磁界強度から抑圧を必要とする周波数を特定し、特定した周波数における不要波を抑圧する可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスに設定するコントロール信号を可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに出力する。The
すなわち、制御部4は、図5に示す抑圧効果が最大となる周波数を動作状態監視部5からの状態監視信号に基づいて状態監視信号が示す電磁界強度から抑圧を必要とする周波数に変更するために、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変化させるコントロール信号を可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに出力する。
その結果、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数であり、送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数における電力伝送効率の劣化を抑制した上で各動作状態において最大の放射妨害波抑圧効果を得ることができる。
That is, the
As a result, it is possible to obtain the maximum radiated interference suppression effect in each operating state while suppressing deterioration of power transmission efficiency at the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
なお、動作状態監視部5からの状態監視信号を制御部4に直接出力するものとしたが、動作状態監視部5からの状態監視信号を、動作状態監視部5の近傍に配置したアナログデジタル変換(AD変換)する受信機が受け、デジタル信号からなる状態監視信号を制御部4に送信するものでも良い。
この場合、動作状態監視部5であるアンテナが送電用コイル1から離れており、不要波による電磁界強度が非常に小さい場合でも、アンテナと制御部4とを接続する配線による高周波信号の減衰もなく、制御部4はアンテナ5が検出した状態監視信号を精度高く受信できる。
Although the status monitoring signal from the operation
In this case, even if the antenna which is the operation
また、動作状態監視部5を1つのアンテナにより構成するものとしたが、複数の検出アンテナを設けたものでも良い。
電力伝送コイルの周囲に金属製の遮蔽物が存在する環境では、場所によって電磁界強度が著しく異なる可能性があるが、動作状態監視部5を複数のアンテナにより構成した場合、複数のアンテナそれぞれを異なった位置に配置することにより、抑圧を必要とする周波数を様々な位置で測定された測定値から検出でき、制御部4が抑圧を必要とする周波数を精度高く特定できる。
Further, the operation
In an environment where there is a metal shield around the power transmission coil, the electromagnetic field strength may vary significantly depending on the location. However, if the operation
さらに、複数のアンテナそれぞれを着目したい周波数毎に適した、Q値が高い、すなわち狭帯域化したアンテナとしてもよい。
狭帯域化したアンテナは感度が向上するので、抑圧を必要とする周波数を高感度で検出でき、制御部4が抑圧を必要とする周波数を精度高く特定できる。
Furthermore, each of the multiple antennas may be an antenna with a high Q value, i.e., a narrow band, suitable for each frequency of interest.
Since the sensitivity of the narrowband antenna is improved, it can detect frequencies that require suppression with high sensitivity, and the
またさらに、動作状態監視部5であるアンテナは近接して配置される複数の送電用コイル1に対して兼用したアンテナであってもよい。
すなわち、兼用されたアンテナが検出した電磁界強度を示す状態監視信号を、複数の送電用コイル1それぞれに対応する制御部4が受け、制御部4が受けた状態監視信号が示す電磁界強度から抑圧を必要とする周波数を特定し、特定した周波数における不要波を抑圧する可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスに設定するコントロール信号であるコントロール電圧を複数の送電用コイル1それぞれに対応する可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに出力する。
Furthermore, the antenna serving as the operation
That is, a status monitoring signal indicating the electromagnetic field strength detected by the shared antenna is received by a
また、動作状態監視部5であるアンテナとして、実施の形態3に係る電力伝送コイルに近接して設置された無線システムにおけるアンテナ、例えば、室内に電力伝送コイルが置かれた場合、その部屋の入口に置かれたRFID(Radio Frequency Identification)を用いる入退室管理システムにおけるアンテナを利用しても良い。In addition, as the antenna that is the operation
すなわち、入退室管理システムにおけるアンテナによる受信信号を状態監視信号として制御部4が受け、制御部4はアンテナによる受信信号から抑圧を必要とする周波数を特定する。例えば、入退室管理システムにおけるアンテナにおいて入退室管理システムにとっての妨害波を受信すると、制御部4は、当該アンテナが受信した妨害波を、入退室管理システムにおけるアンテナが受信した電磁界強度から抑圧すべき状態監視信号として当該妨害波に対する周波数を特定する。
制御部4は、特定した周波数における不要波を抑圧する可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスに設定するコントロール信号であるコントロール電圧を可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに出力する。
That is, the
The
また、入退室管理システムにおいて使用される周波数は特定されているので、制御部4は、アンテナによる受信信号の電磁界強度によって入退室管理システムにとっての妨害波の周波数を特定するのではなく、アンテナによる受信信号に含まれる入退室管理システムにおいて使用される周波数以外の周波数を入退室管理システムにとっての妨害波の周波数として特定するものであってもよい。
近接して設置された無線システムにおける「近接」とは、実施の形態3に係る電力伝送コイルにおける送電用コイル1から放射される電磁波、特に不要波が到達する距離である。
In addition, since the frequencies used in the access control system are specified, the
In a wireless system installed in close proximity, "closeness" refers to the distance that can be reached by electromagnetic waves, particularly unwanted waves, radiated from the
なお、実施の形態3に係る電力伝送コイルは、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数は変更されず、送電コイル及び受電コイルの動作状態において不要波の周波数成分が変化する場合について、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変更するものとしたが、送電コイル及び受電コイルの動作状態として送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数、つまり、送電用コイル1に接続される送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数が動的に変更された場合に可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変更するものでも良い。
In the power transmission coil of
この場合、動作状態監視部5は送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数、言い換えれば、送電用コイル1に入力される基本波周波数を監視し、基本波周波数に応じた状態監視信号を制御部4に出力する。
制御部4は、抑圧する周波数は変更せず、動作状態監視部5からの状態監視信号により、送電回路3が送信する高周波信号の基本波周波数f0の角周波数ω0に応じて、上式(5)の条件を満足する可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを制御する。
In this case, the operating
The
送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数が動的に変更された場合に、動的に変更された基本波周波数に追随して上式(5)の条件を満足する可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスに変更されるため、変更された基本波周波数の電力に対して電力伝送効率の劣化を抑制することができる。When the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
以上に述べたように、実施の形態3に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルと同様の効果を有する。
さらに、共振回路を構成する並列接続されたインダクタとキャパシタを、可変インダクタ223と可変キャパシタ224にしたので、電力伝送用コイルの動作状態に応じて、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変更でき、不要波に対する高い抑圧効果が得られる、又は送電用コイル1から受電用コイルへ伝送される電力の基本波周波数に対して電力伝送効率の劣化を抑制できる。
As described above, the power transmission coil according to the third embodiment has the same effects as the power transmission coil according to the first embodiment.
Furthermore, since the parallel-connected inductor and capacitor that make up the resonant circuit are made into a
例えば、送電コイル及び受電コイルの動作状態において不要波の周波数成分が変化する場合に、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変更するものとしたので、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数、つまり、伝送される電力の基本波周波数における電力伝送効率の劣化を抑制した上で各動作状態において放射妨害波に対して最大の抑圧効果を得ることができる。
また、送電コイル及び受電コイルの動作状態において送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数、つまり、伝送される電力の基本波周波数が変更された場合に可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変更するものとしたので、変更された基本波周波数の電力に対して電力伝送効率の劣化を抑制することができる。
For example, when the frequency components of unwanted waves change in the operating state of the transmitting coil and the receiving coil, the inductance of the
In addition, when the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
実施の形態4.
実施の形態4に係る電力伝送コイルを、図10を用いて説明する。
実施の形態4に係る電力伝送コイルは、実施の形態3に係る電力伝送コイルが、動作状態監視部5からの状態監視信号に対して制御部4が抑圧を必要とする周波数を特定し、特定した周波数に対して一義的に可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変化させるコントロール信号を可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに出力するものであるのに対して、動作状態監視部5からの状態監視信号に対して制御部4は可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを上式(5)の条件を満足する範囲内で動的に変化させ、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを設定し、記憶部6を備えた点が相違し、その他の点については同じである。
図10中、図9に付された符号と同一符号は同一又は相当部分を示す。
A power transmission coil according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
The power transmission coil of
In FIG. 10, the same reference numerals as those in FIG. 9 indicate the same or corresponding parts.
制御部4は、動作状態監視部5であるアンテナからの電磁界強度を示す状態監視信号を受け、状態監視信号が示す電磁界強度が設定した閾値を超えていると、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを上式(5)の条件を満足する範囲内で動作状態監視部5から状態監視信号が示す電磁界強度が設定した閾値以下になるまで、動的に変化させる。The
すなわち、制御部4は、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変化させている時も動作状態監視部5からの電磁界強度を示す状態監視信号を監視し、動作状態監視部5からの状態監視信号が示す電磁界強度が設定した閾値以下になるまで、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを変化させるコントロール信号を可変インダクタ223と可変キャパシタ224それぞれに出力する。That is, even while the
制御部4は、動作状態監視部5からの状態監視信号が示す電磁界強度が設定した閾値以下になると、可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスの変化を停止し、その時の設定値を動作状態監視部5からの状態監視信号が示す電磁界強度の情報ともに記憶部に記憶させる。When the electromagnetic field strength indicated by the status monitoring signal from the operation
以上に述べたように、実施の形態4に係る電力伝送コイルは、実施の形態3に係る電力伝送コイルと同様の効果を有する。
さらに、制御部4が動作状態監視部5であるアンテナからの状態監視信号が示す電磁界強度を常時監視し、電磁界強度が閾値以下になった時の可変インダクタ223のインダクタンスと可変キャパシタ224のキャパシタンスを設定値としているため、不要波に対する抑圧効果を適切に制御できる。
As described above, the power transmission coil according to the fourth embodiment has the same effects as the power transmission coil according to the third embodiment.
Furthermore, the
実施の形態5.
実施の形態5に係る電力伝送コイルを、図11を用いて説明する。
実施の形態5に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルに対して、ループ導体に2つのスリットを設け、各スリットに、スリットにおける両方の開放端間に接続される並列接続されたインダクタとキャパシタからなる並列共振回路を配置した点が相違し、その他の点については同じである。
図11中、図1に付された符号と同一符号は同一又は相当部分を示す。
A power transmission coil according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
The power transmission coil of
In FIG. 11, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
ループ導体210は2つのスリット211及びスリット212を有する。
ループ導体210は同一形状の2つの導体210Aと導体210Bから構成される。
2つの導体210Aと導体210Bは四角形になるように配置され、導体210Aの開放端と導体210Bの開放端同士が対向してスリット211及びスリット212を形成する。
2つの導体210Aと導体210Bにより構成されるループ導体210は、実施の形態1におけるループ導体21に対して、スリット211に対向した位置にさらにスリット212が形成されている以外は同じである。
The
The
The two
The
また、並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222により構成される並列共振回路22は、実施の形態1における並列共振回路22と同様に、ループ導体210の第1のスリット211における両方の開放端間に電気的に接続される。
同様に、ループ導体210の第2のスリット212における両方の開放端間に、並列接続されたインダクタ231とキャパシタ232により構成される第2の並列共振回路23が電気的に接続される。
In addition, the parallel
Similarly, a second parallel
従って、シールド導体2は、ループ導体210と、並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222を有する第1の並列共振回路22と、並列接続されたインダクタ231とキャパシタ232を有する第2の並列共振回路23を具備する。
Thus, the
シールド導体2のインピーダンスZは上式(4)で表され、実施の形態1におけるシールド導体2のインピーダンスZと同じ値に設定され、シールド導体2の特性は実施の形態1におけるシールド導体2の特性と同じに設定される。
従って、インダクタ221のインダクタンスL1とインダクタ231のインダクタンスL2は同じ値であり、実施の形態1におけるインダクタ221のインダクタンスLの1/2であり、キャパシタ222のキャパシタンスC1とキャパシタ232のキャパシタンスC2は同じ値であり、実施の形態1におけるキャパシタ222のキャパシタンスCの2倍である。
The impedance Z of the
Therefore, the inductance L1 of
なお、シールド導体2に形成されるスリットは2つに限られるものではなく、3個以上の複数でもよく、各スリットに並列接続されたインダクタとキャパシタを有する共振回路がそれぞれ接続される。
スリットの数をn個、共振回路の数をn個とした場合、各共振回路のインダクタのインダクタンスは同じ値であり、しかも、実施の形態1におけるインダクタ221のインダクタンスLの1/nであり、各共振回路のキャパシタのキャパシタンスは同じ値であり、しかも、実施の形態1におけるキャパシタ222のキャパシタンスCのn倍である。
The number of slits formed in the
When the number of slits is n and the number of resonant circuits is n, the inductance of the inductor of each resonant circuit is the same value, which is 1/n of the inductance L of
以上に述べたように、実施の形態5に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルと同様の効果を有する。
さらに、シールド導体2に形成されるスリットの数を複数(n個)、各スリットに接続される共振回路の数を複数(n個)としたので、シールド導体2として小型化が図れ、誘電体基板上への実装が容易である。
As described above, the power transmission coil according to the fifth embodiment has the same effects as the power transmission coil according to the first embodiment.
Furthermore, since the number of slits formed in the
例えば、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数が数MHzから数十MHzである場合、並列接続されたインダクタとキャパシタを有する1つの共振回路を基本波周波数で共振させるためには、時に数百nHのインダクタンスが必要となる。
数百nHの大きなインダクタンスを持つインダクタは一般に大型である。
For example, when the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the
Inductors having a large inductance of several hundred nH are generally large.
これに対して、実施の形態5に係る電力伝送コイルは、複数の共振回路を基本波周波数で共振させるので、各インダクタのインダクタンスは1/nでよく、各インダクタは小型になり、実装性が向上する。
また別の効果として、共振回路をn個設けることで、シールド導体2に誘導された誘導起電力が各共振回路で分圧されるので、1つの共振回路に印加される電圧は1/nとなる。そのため、各共振回路を構成するキャパシタに求められる耐電圧が低下し、より小型の部品を選定でき、実装性が向上する。
In contrast, the power transmission coil according to
Another effect is that by providing n resonant circuits, the induced electromotive force induced in the
実施の形態6.
実施の形態6に係る電力伝送コイルを、図12及び図13を用いて説明する。
実施の形態6に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルが、ループ導体21におけるスリット211に電気的に接続される共振回路22を並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222による並列共振回路としたのに対して、共振回路22を並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222による並列共振回路にさらに直列接続された第2のインダクタ225を有する回路とした点が相違し、その他の点については同じである。
図12中、図1に付された符号と同一符号は同一又は相当部分を示す。
Embodiment 6.
A power transmission coil according to a sixth embodiment will be described with reference to FIGS.
The power transmission coil of embodiment 6 differs from the power transmission coil of
In FIG. 12, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
シールド導体2は、ループ導体21と、並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222による並列共振回路、及び並列共振回路にさらに直列接続された第2のインダクタ225を有する共振回路22を具備する。
並列共振回路の一端はループ導体21のスリット211の一方の開放端に電気的に接続され、並列共振回路の他端は第2のインダクタ225の一端に電気的に接続される。
第2のインダクタ225の他端はスリット211の他方の開放端に電気的に接続される。
The
One end of the parallel resonant circuit is electrically connected to one open end of the
The other end of the
シールド導体2のインピーダンスZは次式(9)で現わされる。
式(9)において、RLはループ導体21のインピーダンスのうちレジスタンス、LLはループ導体21のインピーダンスのうちのインダクタンス、Lはインダクタ221のインダクタンス、Cはキャパシタ222のキャパシタンス、LSは第2のインダクタ225のインダクタンスを示す。
The impedance Z of the
In equation (9), R L is the resistance of the impedance of the
式(9)と実施の形態1におけるシールド導体2のインピーダンスZを現わす式(4)と比較すると、実施の形態6におけるシールド導体2のインピーダンスZは、実施の形態1におけるシールド導体2のインピーダンスZに対してループ導体21のインダクタンスが第2のインダクタ225のインダクタンスLS分大きくなったのと同義である。
Comparing equation (9) with equation (4) expressing the impedance Z of the
すなわち、ループ導体21のインダクタンスLLそのものを大きくするには、例えば、ループ導体21の幅を狭くする、巻き数を増やす等が考えられるが、いずれもループ導体21の抵抗成分RLの増加を伴う。
ループ導体21の抵抗成分RLの増加は不要波の抑圧量の低下をきたす。
これに対して、実施の形態6においては、ループ導体21の抵抗成分RLの増加を伴わずにループ導体21のインダクタンスを大きくできる。
つまり、ループ導体21のインダクタンスは(LL+LS)と見做せる。
That is, in order to increase the inductance L L of the
An increase in the resistance component RL of the
In contrast to this, in the sixth embodiment, the inductance of the
In other words, the inductance of the
シールド導体2のインピーダンスZの位相とループ導体21の見做しインダクタンス(LL+LS)の関係について図13を用いて説明する。
図13において、横軸が送電コイルから受電コイルへ伝送される電力の基本波周波数f0により規格化された値、縦軸がシールド導体2のインピーダンスZの位相を示し、規格値f/f0が1は送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数f0、つまり、伝送される電力の基本波周波数f0、規格値f/f0が2は基本波周波数f0の2倍の周波数であり、上式(4)で示すシールド導体2のインピーダンスZの虚部が0になる周波数、すなわちシールド導体2の共振周波数である。
曲線A5はループ導体21の見做しインダクタンス(LL+LS)が10nH、曲線A6はループ導体21の見做しインダクタンス(LL+LS)が100nHの時の周波数に対する位相曲線を示す。
The relationship between the phase of the impedance Z of the
13, the horizontal axis indicates the value normalized by the fundamental frequency f0 of the power transmitted from the transmitting coil to the receiving coil, and the vertical axis indicates the phase of the impedance Z of the
Curve A5 indicates a phase curve with respect to frequency when the assumed inductance ( LL + LS ) of the
図13から明らかなように、ループ導体21の見做しインダクタンス(LL+LS)が大きい方(100nH)が、シールド導体2の共振周波数(f/f0=2)において、シールド導体2のインピーダンスZの位相変化が急峻である。
見做しインダクタンス(LL+LS)が100nHのものは、シールド導体2の共振周波数の近傍の周波数においても、シールド導体2のインピーダンスZの位相が略±90°である。
送電用コイル1に流れる電流が形成する磁界とループ導体21に流れる電流が形成する磁界が弱めあう効果は、位相が+90°の条件が最も理想的な条件である。
すなわち、シールド導体2のインピーダンスZの位相の観点からは、見做しインダクタンス(LL+LS)は大きい方が不要波を抑圧する効果が大きい。
As is clear from FIG. 13, when the assumed inductance ( LL + LS ) of the
When the assumed inductance ( LL + LS ) is 100 nH, the phase of the impedance Z of the
The most ideal condition for the mutual weakening effect between the magnetic field formed by the current flowing through the
That is, from the viewpoint of the phase of the impedance Z of the
ところで、実施の形態1において、図6により説明したように、ループ導体21のインダクタンスLLをより小さくする、例えば、100nH(曲線A4)より10nH(曲線A3)にすることにより、基本波周波数f0未満まで、基本波周波数f0を超えた周波数から基本波周波数f0の2倍の周波数未満まで、及び基本波周波数f0の2倍を超えた周波数に対してシールド導体2のインピーダンスの絶対値|Z|を大幅に小さくでき、基本波周波数f0以外の周波数の不要波における磁界の抑圧効果を大きくできる。
Meanwhile, in the first embodiment, as explained with reference to FIG. 6 , by reducing the inductance L of the
すなわち、基本波周波数f0以外の周波数の不要波における磁界の抑圧効果を大きくするため、シールド導体2のインピーダンスZの位相の観点からするとループ導体21のインダクタンスLLを大きくするのがよく、シールド導体2のインピーダンスZの観点からするとループ導体21のインダクタンスLLを小さくするのがよく、トレードオフの関係になっている。
That is, in order to increase the effect of suppressing the magnetic field in unwanted waves of frequencies other than the fundamental frequency f0 , it is better to increase the inductance L L of the
実施の形態6に係る電力伝送コイルにおいて、共振回路22を並列接続されたインダクタ221とキャパシタ222による並列共振回路にさらに直列接続された第2のインダクタ225を有する回路にしたことにより、第2のインダクタ225のインダクタンスLSを調整することにより、ループ導体21の見做しインダクタンス(LL+LS)を調整でき、シールド導体2のインピーダンスZの位相の観点及びシールド導体2のインピーダンスZの観点両者から基本波周波数f0以外の周波数の不要波における磁界の抑圧効果が適切に得られる。
In the power transmission coil of embodiment 6, the
さらに、第2のインダクタ225のインダクタンスLSを変更することで、ループ導体21の構造を変えずに容易にインダクタンス(LL+LS)を変更できるため、設計がしやすい。
Furthermore, by changing the inductance L S of the
以上に述べたように、実施の形態6に係る電力伝送コイルは、実施の形態1に係る電力伝送コイルと同様の効果を有する。
さらに、第2のインダクタ225のインダクタンスLSを調整することにより、送電用コイル1が形成する電磁界の基本波周波数以外の周波数の不要波における磁界の抑圧効果に対してより適切な抑圧効果が得られる。
As described above, the power transmission coil according to the sixth embodiment has the same effects as the power transmission coil according to the first embodiment.
Furthermore, by adjusting the inductance L S of the
なお、実施の形態2に係る電力伝送コイルにおいて、実施の形態6と同様に、第1のシールド導体2及び第2のシールド導体2Aともに、共振回路を並列接続されたインダクタとキャパシタによる並列共振回路、及び並列共振回路にさらに直列接続された第2のインダクタを有する回路としてもよい。
また、実施の形態3に係る電力伝送コイル及び実施の形態4に係る電力伝送コイルそれぞれにおいて、実施の形態6と同様に、共振回路を並列接続された可変インダクタと可変キャパシタによる並列共振回路、及び並列共振回路にさらに直列接続された第2のインダクタを有する回路としてもよい。
In the power transmission coil according to
Furthermore, in each of the power transmission coil according to
さらに、実施の形態5に係る電力伝送コイルにおいて、実施の形態6と同様に、ループ導体の複数のスリットそれぞれに接続された共振回路それぞれを並列接続されたインダクタとキャパシタによる並列共振回路、及び並列共振回路にさらに直列接続された第2のインダクタを有する回路としてもよい。
Furthermore, in the power transmission coil according to
本開示は、実施の形態1から実施の形態6に示した電力伝送コイルに限られるものではなく、実施の形態1から実施の形態6に示した技術思想の観点から逸脱することなしに当該技術分野の技術者らが通常の技術知識を持って変更した構成要素の配置及び形状は本開示の範疇である。
例えば、送電用コイル1及びループ導体21の形状を、実施の形態1から実施の形態6に示した技術思想の観点から逸脱することなく、当該技術分野の技術者らが通常の技術知識を持って変更した形状は本開示の範疇である。
The present disclosure is not limited to the power transmission coils shown in
For example, the shapes of the
また、実施の形態1から実施の形態6に示した電力伝送コイルと併せて、送電用コイル1と送電回路3との間に接続される整合回路によって、電力伝送効率の観点からインピーダンス整合を調整するものであってもよい。
さらに、送電用コイル1に対して複数の送電回路3を組み合わせて、複数の周波数で電力を伝送する送電コイルに、実施の形態1から実施の形態6に示した電力伝送コイルを適用してもよい。
In addition to the power transmission coils shown in
Furthermore, the power transmission coils shown in the first to sixth embodiments may be applied to a power transmission coil that transmits power at a plurality of frequencies by combining a plurality of
実施の形態1から実施の形態6に示した電力伝送コイルを誘電体基板上に形成すること、送電回路3とともに同一の誘電体基板上に形成してもよい。
実施の形態1から実施の形態6に示した電力伝送コイルを誘電体基板上に形成することにより、電力伝送コイルとして低コスト化が図れるとともに、伝送用コイル及びループ導体の寸法の製造精度の改善を図れ、ひいては電力伝送コイルとしての送電コイル及び送電回路、又は電力伝送コイルとしての受電コイル及び受電回路をそれぞれ同一の誘電体基板上に形成することにより、低コスト化が図れるとともにより、精度向上が図れる。
The power transmission coils shown in the first to sixth embodiments may be formed on a dielectric substrate, and may be formed together with the
By forming the power transmission coils shown in
なお、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In addition, any combination of the embodiments may be used, or any component of each embodiment may be modified, or any component of each embodiment may be omitted.
本開示に係る電力伝送コイルは、携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、又はデジタルビデオ等の携帯機器、あるいはワイヤレスセンサに対する磁界結合型電力伝送装置における送電コイル又は受電コイル、あるいは自動搬送ロボットをはじめとする工場設備又は電気自動車などの大型及び大電力を扱うアプリケーションに対する磁界結合型電力伝送装置における送電コイル又は受電コイルに適用できる。The power transmission coil according to the present disclosure can be used as a transmitting coil or a receiving coil in a magnetic field coupled power transmission device for portable devices such as mobile phones, headsets, digital cameras, or digital videos, or for wireless sensors, or as a transmitting coil or a receiving coil in a magnetic field coupled power transmission device for large-scale applications that handle large amounts of power, such as factory equipment including automatic transport robots or electric vehicles.
1 送電用コイル、2 シールド導体、21、210 ループ導体、211、212 スリット、22、23 共振回路、221、223、231 インダクタ、222、224、232 キャパシタ、3 送電回路。4 制御部、5 動作状態監視部、6 記憶部。 1 Power transmission coil, 2 Shield conductor, 21, 210 Loop conductor, 211, 212 Slit, 22, 23 Resonant circuit, 221, 223, 231 Inductor, 222, 224, 232 Capacitor, 3 Power transmission circuit. 4 Control unit, 5 Operation status monitoring unit, 6 Memory unit.
Claims (21)
スリットを有するループ導体、及び前記ループ導体のスリットにおける両方の開放端間に接続され、並列接続されたインダクタとキャパシタによる並列共振回路及び前記並列共振回路に直列接続された第2のインダクタを有する共振回路を具備し、前記電力伝送用コイルが電力を伝送する時に前記電力伝送用コイルが形成する電磁界が鎖交する位置に配置されるシールド導体と、
を備える電力伝送コイル。 a power transmission coil for transmitting power;
a loop conductor having a slit, and a resonant circuit connected between both open ends of the slit of the loop conductor, the resonant circuit having a parallel resonant circuit of an inductor and a capacitor connected in parallel, and a second inductor connected in series to the parallel resonant circuit , the shield conductor being disposed at a position where an electromagnetic field formed by the power transmission coil intersects when the power transmission coil transmits power;
A power transmission coil comprising:
スリットを有するループ導体、及び前記ループ導体のスリットにおける両方の開放端間に接続され、並列接続されたインダクタとキャパシタを有する共振回路を具備し、前記電力伝送用コイルが電力を伝送する時に前記電力伝送用コイルが形成する電磁界が鎖交する位置に配置されるシールド導体と、
スリットを有するループ導体、及び前記ループ導体のスリットにおける両方の開放端間に接続され、インダクタとキャパシタを有する共振回路を具備し、前記シールド導体におけるインピーダンスの周波数特性と異なり、前記電力伝送用コイルが電力を伝送する時に前記電力伝送用コイルが形成する電磁界が鎖交する位置に配置される第2のシールド導体と、
を備える電力伝送コイル。 a power transmission coil for transmitting power;
a loop conductor having a slit, and a shield conductor connected between both open ends of the slit of the loop conductor and including a resonant circuit having an inductor and a capacitor connected in parallel, the shield conductor being disposed at a position where an electromagnetic field formed by the power transmission coil intersects when the power transmission coil transmits power;
a loop conductor having a slit , and a second shield conductor connected between both open ends of the slit of the loop conductor and including a resonant circuit having an inductor and a capacitor, the frequency characteristics of the impedance in the shield conductor being different from those in the shield conductor, and the second shield conductor being disposed at a position where an electromagnetic field formed by the power transmission coil when the power transmission coil transmits power intersects with the frequency characteristics of the impedance in the shield conductor;
A power transmission coil comprising :
スリットを有するループ導体、及び前記ループ導体のスリットにおける両方の開放端間に接続され、並列接続された可変インダクタと可変キャパシタを有する共振回路を具備し、前記電力伝送用コイルが電力を伝送する時に前記電力伝送用コイルが形成する電磁界が鎖交する位置に配置されるシールド導体と、
前記可変インダクタのインダクタンスを変化させるコントロール信号と前記可変キャパシタのキャパシタンスを変化させるコントロール信号それぞれを前記可変インダクタと前記可変キャパシタそれぞれに出力する制御部と、
を備える電力伝送コイル。 a power transmission coil for transmitting power;
a loop conductor having a slit, and a resonant circuit connected between both open ends of the slit of the loop conductor and having a variable inductor and a variable capacitor connected in parallel, the shield conductor being disposed at a position where an electromagnetic field formed by the power transmission coil intersects when the power transmission coil transmits power;
a control unit that outputs a control signal for changing the inductance of the variable inductor and a control signal for changing the capacitance of the variable capacitor to the variable inductor and the variable capacitor, respectively;
A power transmission coil comprising :
但し、f0は前記電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数、LLは前記ループ導体のインダクタンス、Lsは前記第2のインダクタのインダクタンスである。 2. The power transmission coil according to claim 1, wherein in the inductor and capacitor connected in parallel in the resonant circuit, an inductance L of the inductor and a capacitance C of the capacitor are set to values that satisfy f0 = 1/2π√(LC) and L < 3 × (LL + Ls) .
Here, f0 is the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil, L1 is the inductance of the loop conductor , and Ls is the inductance of the second inductor .
但し、f0は前記電力伝送用コイルが形成する電磁界の基本波周波数、LLは前記ループ導体のインダクタンスである。 4. The power transmission coil according to claim 2, wherein an inductance L of the inductor and a capacitance C of the capacitor connected in parallel in the resonant circuit in the shield conductor are set to values that satisfy f0 = 1/2π√(LC) and L < 3 × LL .
Here, f0 is the fundamental frequency of the electromagnetic field formed by the power transmission coil, and L1 is the inductance of the loop conductor.
前記制御部からのコントロール信号は前記動作状態監視部からの状態監視信号により生成される、
請求項3に記載の電力伝送コイル。 an operation status monitoring unit that monitors an operation status of the power transmission coil and outputs a status monitoring signal to the control unit;
A control signal from the control unit is generated based on a status monitoring signal from the operation status monitoring unit.
4. A power transmission coil according to claim 3 .
前記動作状態監視部が出力する状態監視信号は前記アンテナからの電磁界強度を示す状態監視信号であり、
前記制御部は、前記動作状態監視部からの状態監視信号が示す電磁界強度から抑圧を必要とする周波数を特定し、
前記制御部が生成するコントロール信号は、前記特定した周波数における不要波を抑圧する前記可変インダクタのインダクタンスと前記可変キャパシタのキャパシタンスを設定する信号である、
請求項17に記載の電力伝送コイル。 the operation state monitoring unit is an antenna that detects an electromagnetic field intensity due to electromagnetic waves radiated from the power transmission coil,
the status monitoring signal output by the operation status monitoring unit is a status monitoring signal indicating an electromagnetic field intensity from the antenna,
the control unit identifies a frequency that needs to be suppressed from an electromagnetic field intensity indicated by a status monitoring signal from the operation status monitoring unit;
The control signal generated by the control unit is a signal for setting the inductance of the variable inductor and the capacitance of the variable capacitor to suppress unwanted waves at the specified frequency.
20. A power transfer coil as claimed in claim 17 .
前記動作状態監視部が出力する状態監視信号は前記アンテナからの電磁界強度を示す状態監視信号であり、
前記制御部が生成するコントロール信号は、不要波を抑圧するための前記可変インダクタのインダクタンスと前記可変キャパシタのキャパシタンスを設定するための信号であり、
前記制御部が設定した前記可変インダクタのインダクタンスの設定値と前記可変キャパシタのキャパシタンスの設定値を前記動作状態監視部からの状態監視信号が示す電磁界強度の情報とともに記憶する記憶部を備える、
請求項17に記載の電力伝送コイル。 the operation state monitoring unit is an antenna that detects an electromagnetic field intensity due to electromagnetic waves radiated from the power transmission coil,
the status monitoring signal output by the operation status monitoring unit is a status monitoring signal indicating an electromagnetic field intensity from the antenna,
the control signal generated by the control unit is a signal for setting an inductance of the variable inductor and a capacitance of the variable capacitor for suppressing spurious waves,
a storage unit that stores a set value of the inductance of the variable inductor and a set value of the capacitance of the variable capacitor set by the control unit together with information on the electromagnetic field intensity indicated by a state monitoring signal from the operation state monitoring unit;
20. A power transfer coil as claimed in claim 17 .
前記動作状態監視部からの状態監視信号は前記電力伝送用コイルに入力される周波数を示し、
前記制御部が生成するコントロール信号は、前記動作状態監視部からの状態監視信号が示す周波数に応じた、前記可変インダクタのインダクタンスと前記可変キャパシタのキャパシタンスを設定する信号である、
請求項17に記載の電力伝送コイル。 the operation state monitoring unit monitors a frequency input to the power transmission coil,
the state monitoring signal from the operation state monitoring unit indicates a frequency input to the power transmission coil,
The control signal generated by the control unit is a signal for setting the inductance of the variable inductor and the capacitance of the variable capacitor according to a frequency indicated by a state monitoring signal from the operation state monitoring unit.
20. A power transfer coil as claimed in claim 17 .
前記制御部が生成するコントロール信号は、前記特定した周波数における不要波を抑圧する前記可変インダクタのインダクタンスと前記可変キャパシタのキャパシタンスを設定する信号である、
請求項3に記載の電力伝送コイル。 The control unit receives a signal received by an antenna of a wireless system installed nearby, and identifies a frequency that needs to be suppressed from the received signal;
The control signal generated by the control unit is a signal for setting the inductance of the variable inductor and the capacitance of the variable capacitor to suppress unwanted waves at the specified frequency.
4. A power transmission coil according to claim 3 .
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