(57)【要約】【課題】電力伝送効率が高い、並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを課題とする。【解決手段】並列共振型電力システムにおいて、３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を結合インダクタンス、結合容量で接続される帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量を２個の結合インダクタンス、結合容量の直列接続で構成し、前記２個の結合容量の入出力端に接続されない端子と接地間にインダクタを設けた事により、小さい結合容量を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ、及び前記フィルタの平衡型構成を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。【選択図】図２
2015073255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦで、結合容量の入力端及び出力端と入出力並列共振器間に二つのインダクタと結合容量を設け、結合容量の出力端とインダクタ入力端から接地電位間にインダクタを設け、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の結合容量の入力端または出力端と接地電位間に設けられたインダクタを１．０μＨ以上の値に設定した事を特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記載の並列共振型電力供給用システムは、駆動周波数６．７８ＭＨｚ帯電力を通過するフィルタを設定した事を特徴とする。
【請求項４】
並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を結合容量とインダクタの直列接続される３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦにおいて、前記インダクタと結合容量の直列共振回路を２個直列接続で構成し、前記２個の結合容量と２個インダクタの入出力端に接続されない端子と接地間にインダクタを設けた事により、小さい結合容量を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【請求項５】
請求項４記載の並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を結合容量とインダクタの直列接続される３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦにおいて、前記結合容量を２個の結合容量の直列接続で構成し、前記２個の結合容量の入出力端に接続されない端子と接地間に設けられたインダクタを２．０μＨ以下の値に設定した事を特徴とする。
【請求項６】
請求項４に記載の並列共振型電力供給用システムは、６．７８ＭＨｚ帯電力を通過するフィルタを設定した事を特徴とする。
【請求項７】
請求項１から請求項６までの並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、結合容量に直列に設けられるインダクタは、二つの結合容量において、どちらか一つの結合容量にインダクタを設けられる事により、小さい結合を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【請求項８】
請求項１から請求項６記載の並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、駆動周波数を６．７８ＭＨｚの場合について述べたが、駆動周波数１３．５６ＭＨｚ等の６．７８ＭＨｚより異なる場合も、同様の結合容量の小さい結合を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【請求項９】
請求項１から請求項８記載の並列共振型電力供給用システムは請求項１から請求項７までの並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記並列共振型電力供給システム用フィルタは平衡型構成を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、各種の負荷に対して電力供給を行うための電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタは特許文献１において、結合容量及びインダクタを用いた回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
（例えば特許文献１）【０００３】  並列共振型電力供給システム用フィルタは、特許文献２及び非特許文献１において、その回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
（例えば特許文献２、非特許文献１参照。）【０００４】
【非特許文献１】「電界結合・共振型ワイアレス電力伝送技術」、電子情報通信学会技報、ＷＰＯ２０１１−２４（２０１１−１２）、（ＰＰ１−ＰＰ６）
【０００５】
【特許文献２】特開２０１０−１９３６９２号公報（段落００１４〜００２９、第２図）  特許文献１の第２図は、回路構成の入出力端に、二つのＬＣ並列共振回路を設け、その並列共振回路間の結合容量により、非接触給電を行う。このフィルタは、電力供給システムにおいて、電極の配置状態の変化に伴う電力変化の少ない、安定した電力供給を行うことが可能となる電力供給システムを提供することを目的とした回路構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３１２２５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９３６９２号公報
【０００７】
【非特許文献１】「電界結合・共振型ワイアレス電力伝送技術」、電子情報通信学会技報、ＷＰＯ２０１１−２４（２０１１−１２）（ｐｐ１−ｐｐ６）
【非特許文献２】「電子工学データブック」、近代科学社、１９６３、０６、１５、（ｐｐ１５８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】しかしながら、特許文献１は、電力を非接触で伝送するために必要な結合電極回路を構成するＬＣ素子値の決定手法、その回路実装構造に関するものある。安定した電力供給を行うことを目的とした回路実装構造に関するものであるため、並列共振型電力供給用フィルタとして、特性規格からそのフィルタに要求されるフィルタ特性、そのフィルタ特性からそのフィルタを構成する、ＬＣの素子値に関する課題がある。また、回路構成は、並列共振型電力供給用フィルタの基本回路構成に、入出力端にトランスを介したインピーダンス調整用並列共振回路が設けられている。図１に示される結合電極だけでは、並列共振型電力供給用フィルタに要求される特性を満足する事はできない。この要求特性を満足するフィルタを得るのが本発明の課題である。【０００９】  また、特許文献１の並列共振型電力供給用フィルタは、非特許文献２にも示されている３素子構成帯域通過型フィルタを基本とした、Ｃ結合ＢＰＦである。このＣ結合ＢＰＦの回路構成は、まず結合容量を想定して、他の構成素子値を決め、充電器特性を測定し、その測定した特性から、構成並列共振ＬＣを変化させ、充電器特性を満足するフィルタを得ている事が現状である。本発明の他の課題は、結合容量値の小さい、充電器として要求される電力伝送効率が高く、インピーダンス調整用意な並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、前記入力並列共振器と出力並列共振器間に、二つのインダクタと結合容量を直列接続した並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記結合容量の入力端または出力端と接地電位間にインダクタを設けた事を特徴とする。【００１１】また、請求項２に記載の並列共振型電力供給用システムは、請求項１に記載の結合容量の入力端または出力端と接地電位間に設けられたインダクタを１．０μＨ以上の値に設定した事を特徴とする。【００１２】また、請求項３に記載の並列共振型電力供給用システムは、駆動周波数６．７８ＭＨｚ帯電力を通過するフィルタを設定した事を特徴とする。【００１３】また、請求項４に記載の並列共振型電力供給用システムは、二つの入力端及び二つの出力端を有し、前記入力並列共振器と出力並列共振器間に、二つのインダクタと二つの容量の直列共振回路を直列接続し、前記入力並列共振器の出力端に接続されるインダクタと容量の直列共振回路の出力端と、前記出力並列共振器の入力端に接続されるインダクタと容量の直列共振回路の入力端と接地電位間にインダクタを設けた事を特徴とする。【００１４】請求項５に記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、また、請求項２に記載の並列共振型電力供給用システムは、請求項４に記載の結合容量の入力端または出力端と接地電位間に設けられたインダクタを２．０μＨ以下の値に設定した事を特徴とする。【００１５】また、請求項６に記載の並列共振型電力供給用システムは、駆動周波数６．７８ＭＨｚ帯電力を通過するフィルタを設定した事を特徴とする。【００１６】請求項７記載の並列共振型電力供給用システムは請求項１から請求項６までの並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、駆動周波数を６．７８ＭＨｚの場合について述べたが、１３．５６ＭＨｚ等の６．７８ＭＨｚより異なる場合も、同様の結合容量の小さい結合を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。【００１７】請求項８記載の並列共振型電力供給用システムは請求項１から請求項７までの並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記並列共振型電力供給システム用フィルタは平衡型構成を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【発明の効果】
【００１８】  本発明によれば、結合容量の小さい値に設定された並列共振型電力供給用システム用フィルタにより、広帯域効率特性を有するフィルタが得られ、並列共振型電力供給用システム用フィルタはこの容量値を変化させても入出力並列共振器の共振周波数の変動が少なく、安定な効率特性で、インピーダンス調整を容易にした事を可能とする。
また、並列共振型電力供給用フィルタとして、請求項記載の結合容量に、インダクタを結合容量に直列に設ける事により、広帯域効率特性の並列共振型電力供給用フィルタを得られるのが特徴である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成１である。
【図２】図２は本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成２である。
【図３】図３本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成１駆動周波数６．７８ＭＨｚの効率特性である。
【図４】図４は本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成２駆動周波数６．７８ＭＨｚの効率特性である。
【図５】図５は本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成１、駆動周波数１３．５６ＭＨｚの効率特性である。
【図６】図６は、非特許文献２にも示されている３素子構成帯域通過型フィルタを基本とした、Ｃ結合ＢＰＦである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】  並列共振型電力供給用フィルタは、非特許文献２に示されているごとく、図６のＣ結合ＢＰＦ回路構成を基本として、この回路は、その設計段階において、構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、充電器用フィルタが試作されると想定されるが、非特許文献１等から想定すると、試作においては、最初結合容量設定製作し、データを取得し、そのデータを基にして、入出力の並列共振器を設計試作する方法で、製作したフィルタを用いた電力供給システムに提供されているのが現状である。そこで、本発明の並列共振型電力供給用フィルタは、前記非特許文献２に示されている如く、入出力端に並列共振回路、及びその入出力並列共振器間に結合容量を介して接続されている３素子構成帯域通過型フィルタを基本として、図１及び図２の回路構成１、回路構成２で、その結合容量を小さい値に設定できる事を特徴とする。
【００２１】（１）本発明のシミュレーション
まず、本発明の回路構成１となるシミュレーションは、図１の回路構成１のＦ行列から、回路の周波数特性を示す（５）のＳ、効率特性を示す（７）のη２１を用いて、電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成１の特性を評価する。
【００２２】通常電力供給システム用フィルタは、非特許文献２に示されている如く、（１）フィルタ条件、（２）力率条件、（３）整合条件の検討が必要である。ここでは、このフィルタ条件及び力率条件について評価検討した。評価の基準はＦ行列を用いた。このＦ行列は数（１）で与えられ、そのＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄの四端子定数は下記数（２）に示される。
【００２３】
【数１】
2015073255.tif 000003
【００２４】
【数２】
2015073255.tif 000004
【００２５】  また、図１の回路構成（１）のＦ行列の各要素を数（３）で与えられる。
【数３】
2015073255.tif 000005
ここで、Ｙ＝Ｙ１＝Ｙ２＝ＬＣ並列共振回路のアドミタンス、Ｚは結合容量のインピーダンス、ｎは理想変成器の変成比である。
具体的、図１の回路構成の数（４）の各要素を計算すると数（４）で与えられる。
【００２６】
【数４】
2015073255.tif 000006
ここで、図１の回路構成の場合、Ｌ１＝Ｌ２、Ｃ１＝Ｃ２、結合容量Ｃ３１、及びｎ＝理想変成器の変成比である。この事は、結合容量調整において、結合容量を変化させると必ず関連する共振回路の共振周波数は変化する。したがって、Ｃ１とＣ３１の比Ｃ１／Ｃ３１を大きくなるように素子値を決める必要がある。このＣ１／Ｃ３１を容量比として、電界結合型電力供給システム用フィルタの特性を決める重要な因子である。したがって、駆動抵抗をＲＤ（Ω）及び終端抵抗をＲＬ（Ω）の場合、本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの伝送特性Ｓは、数（３）（４）の要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから（５）のように評価される。本来は電力伝送特性について、評価する必要があるがここでは、まず伝送特性Ｓについて評価する。
【００２７】
【数５】
2015073255.tif 000007
次に、効率特性に関係するＳ行列のＳ２１要素は、数（５）の逆数（６）で与えられる。
【００２８】
【数６】
2015073255.tif 000008
また、電力伝送効率特性η２１は数（７）で得られる。
【数７】
2015073255.tif 000009
【数２９】
（２）シミュレーション結果
本シミュレーションは駆動周波数６．７８ＭＨｚ及び１３．５６ＭＨｚ帯の並列共振型電力伝送システム用フィルタについて、三つの実施例を示した。実施例１及び２は、駆動周波数６．７８ＭＨｚについて、通過帯域を（６．７８±３．０）ＭＨｚ及び（６．７８±４．０）ＭＨｚとして、また実施例３については、駆動周波数１３．５６ＭＨｚについて、通過帯域を（１３．５６±４．０）ＭＨｚ及び（１３．５６±５．０）ＭＨｚ構成ＬＣ素子値を求めた。構成ＬＣ素子値は全て、同じ無負荷Ｑを持つとして、この無負荷ＱはＱ＝５０として、結合容量値の小さくなる回路構成およびその最小化手法を求めた。
【実施例１】
【００３０】  請求項１の回路構成１は、非特許文献２にも示されている３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦで、結合容量Ｃ３１の入力端及び出力端と入出力並列共振器間にインダクタＬ１１、Ｌ２２を設け、結合容量Ｃ３１の出力端とインダクタＬ２２入力端から接地電位間にインダクタＬ３を設けた回路構成である。この場合、駆動周波数６．７８ＭＨｚとして、通過帯域を、（６．７８±３．０）ＭＨｚ及び（６．７８±４．０）ＭＨｚとして、ＬＣ素子値を算出し、この素子値を基にして、シミュレーション検討をおこない、その結果を表１（１）に（６．７８±３．０）ＭＨｚ、表１（２）に（６．７８±４．０）ＭＨｚの場合の素子値を示す。
【表１】
2015073255.tif 000010
ここで、図３は、表１の図示場合で、結合容量は表１（１）の場合は３６．９ｐＦ、表１（２）の場合は８６．６ｐＦである。この違いはＬ３の値にある。表１（１）の場合のＬ３は３６．３μＨ、表１（２）の場合のＬ３は５．１９μＨで、表１（１）の場合はＬＣ直列共振回路になる。Ｌ３が極端に大きい場合は単独近似ＬＣ直列共振回路になる。表１（２）の場合のＬ３は５．１９μＨで、結合容量は８６．６ｐＦである。この場合通常のＬ３で、このＬ３により効率特性は大きく変化する。この事は図３からも判る。
図１及び図３において、入出力並列共振器間のＬ３が大きい値の場合は、近似直列共振回路になり、電界結合直列共振型の近似効率特性になり、Ｌ３が小さい値の場合は電界結合並列共振型に近い効率特性になり、Ｌ３を設ける事により幅広い効率特性を得られる事が特徴である。
試作、製造の場合、表１（１）の回路はＬ３が大きい値であるが、多層基板その他で構成すると、ある程度の寄生インダクタは考慮する必要がある。また、共振周波数から見ると、Ｌ３Ｃ３１の共振周波数が表１（１）の場合は４．３５ＭＨｚ、表１（２）の場合は７．５ＭＨｚである。表１（２）の場合の場合はＬ１Ｃ１の共振周波数が７．６２ＭＨｚ、Ｌ２２Ｃ３１の共振周波数が８．６２ＭＨｚで、作り易いと想定される。
【実施例２】
【００３１】  請求項４の図２の回路構成２は、回路構成１と異なるのはＬ２２のみの直列腕に直列にＣ３２を設けた回路構成である。この場合のＬＣ素子の素子値は請求項１の場合と同じく、非特許文献２にも示されている３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦで、結合容量Ｃ３１の入力端及び出力端と入出力並列共振器間にインダクタＬ１１、Ｌ２２を設け、結合容量Ｃ３１の出力端と、容量Ｃ３２とインダクタＬ２２の直列腕の入力端から接地電位間にインダクタＬ３を設けた回路構成である。この場合、駆動周波数を６．７８ＭＨｚとして、通過帯域を、（６．７８±３．０）ＭＨｚ及び（６．７８±４．０）ＭＨｚとして、ＬＣ素子値を算出し、この値を基にシミュレーション検討をおこないその結果を表２（１）に（６．７８±３．０）ＭＨｚ、表２（２）に（６．７８±４．０）ＭＨｚの場合の素子値を示す。
【表２】
2015073255.tif 000011
実施例２は、実施例１の回路構成１と比較すると、上述の如く、Ｌ２２とＣ３２で直列共振回路を構成している事である。この上述のごとく、構成ＬＣ素子値を決め、シミュレーションにより効率特性の最適化を計り、その場合の構成ＬＣ素子値を表２に、その効率特性を図４に示す。また、結合容量に相当するＣ３１、Ｃ３２が表２（１）の場合で４８．７ｐＦ，表２（２）の場合で４８．１ｐＦである。この場合の入出力並列共振回路の構成ＬＣ値は異なる事が表２からわかる。この基はＬ３とＣ３２に存在する事により、効率特性に関係する素子が増加した事にある。また、入出力並列共振回路の構成ＬＣ値が異なっても、結合容量値は略同じ値が得られる事になる。
この事は試作、製造に於いて大きな利点をもたらす特徴である。
【実施例３】
【００３２】請求項７の図１の回路構成１は、非特許文献２にも示されている３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦで、結合容量Ｃ３１の入力端及び出力端と入出力並列共振器間にインダクタＬ１１、Ｌ２２を設け、結合容量Ｃ３１の出力端とインダクタＬ２２入力端から接地電位間にインダクタＬ３を設けた回路構成である。この場合、駆動周波数を１３．５６ＭＨｚとして、通過帯域を、（１３．５６±４．０）ＭＨｚ及び（１３．５６±５．０）ＭＨｚとして、ＬＣ素子値を算出し、この値を基にして、シミュレーション検討の結果を、表３（１）に（１３．５６±５．０）ＭＨｚ、表１（２）に（１３．５６±４．０）ＭＨｚの場合の素子値を示す。
【表３】
2015073255.tif 000012
実施例３において、駆動周波数を１３．５６ＭＨｚにしても、実施例を６．７８ＭＨｚの場合の図１及び図２において、入出力並列共振器間のＬ３が大きい値の場合は、近似直列共振回路になり、電界結合直列共振型の近似効率特性になり、Ｌ３が小さい値の場合は電界結合並列共振型に近い効率特性になる事が特徴である傾向は図５及び表３から同じである事が判る。
駆動周波数を１３．５６ＭＨｚ、６．７８ＭＨｚとした場合の比較は、表１及び表３、図３及び図５から、大きな相違ある事がわかる。８０％効率幅は略２倍の値が得られている。具体的には表３（１）の並列共振周波数は１６．９ＭＨｚ、直列共振周波数は１７．８ＭＨｚで、表３（２）の並列共振周波数は１４．１ＭＨｚ、直列共振周波数は１８．２ＭＨｚで、表３のＬＣ素子値からも、表３（２）の並列共振インピーダンスの帯域幅が広く効率特性の８０％効率幅は広い事が判る。この場合、結合容量Ｃ３１を小さくするにはＬ２２Ｃ３１の共振周波数を一定にして、Ｃ３１を小さくし、Ｌ２２を大きくするか入出力並列共振周波数を一定にしてＬ１を小さくして、Ｃ１を大きくすればよい。【００３３】従来、並列共振型電力供給用フィルタの構成素子値の事前決定は不可能とされていた。本発明示すように３素子構成帯域通過型フィルタを基本としたＢＰＦで、その設計段階において、その構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、結合容量がより小さい値を持つ、充電器として要求されるフィルタ特性が得られ、電力伝送効率が高く、小型化された、並列共振型電力供給システム用フィルタで、更に発生する雑音の少ない電力供給システムを提供することができる。ここでは、本発明の二つの回路構成から、駆動周波数６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ帯域の三つの実施例について、本発明の有用性を示した。この回路は、前記二つの周波数のみ成らずすべての周波数において適用可能と判断できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】  以上要するに、本発明によれば、並列共振型電力供給システムの事前検討時において、フィルタの回路構成、その素子値及び効率特性の杷握で、減衰帯域において、高減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰となり、結合容量の小さい高効率特性の並列共振型電力供給システム用フィルタを提供できる。
【符号の説明】
【００３５】Ｌ１・・・入力側インダクタ
Ｃ１・・・入力側キャパシタ
Ｌ２・・・出力側インダクタ
Ｃ２・・・出力側キャパシタ
Ｌ１１・・・結合回路用インダクタ
Ｌ２２・・・・結合回路用インダクタ
Ｃ３１・・・結合用キャパシタ
Ｃ３２・・・結合用キャパシタ
Ｌ３・・・結合回路用インダクタ
【図１】
2015073255.tif 000013
【図２】
2015073255.tif 000014
【図３】
2015073255.tif 000015
【図４】
2015073255.tif 000016
【図５】
2015073255.tif 000017
【図６】
2015073255.tif 000018