(57)【要約】【課題】電力伝送効率が高い、電界結合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】電界結合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はインダクタを介して、結合容量に接続されるＣ結合帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量と出力端共振器または入力端共振器間に、インダクタを設け、前記入出力端の並列共振回路のＬを用いて構成し、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする電界結合型電力供給システム用フィルタおよび前記フィルタの平衡型構成を有した事を特徴とする電界結合型電力供給システム用フィルタ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界結合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はインダクタを介して、結合容量に接続されるＣ結合帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量と出力端共振器または入力端共振器間に、前記入出力端の並列共振回路のＬを用いて構成し、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする電界結合型電力供給システム用フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の前記入出力端の並列共振回路のＬは５μＨ以下及び結合容量値を２ｐＦ以下とした事を特徴とする電界結合型電力供給システム。
【請求項３】
請求項１記載の前記入出力端の並列共振回路はなく、結合容量値を２ｐＦ以下とした事を特徴とする電界結合型電力供給システム。
【請求項４】
請求項１記載の前記入出力端の並列共振回路はなく、入出力端の並列共振回路をＬまたはＣ単独とした事を特徴とする電界結合型電力供給システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までの電界結合型電力供給システム用フィルタにおいて、前記電界結合型電力供給システム用フィルタを平衡型構成にした事を特徴とする電界結合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】電界結合型電力供給システム用フィルタは非特許文献１及び非特許文献２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、その特性が示されている。一部試作結果も報告されている。
（例えば特許文献１、特許文献２）【０００３】電界結合型電力供給システム用フィルタは、特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２において、その有効性が開示され、その回路構成で、試作検討され、一部製品化されている。（例えば特許文献２、非特許文献１参照）【０００４】  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】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０４２６０７号公報
【特許文献２】特開２０１５−０８２９６３号公報
【０００６】
【非特許文献１】「電界結合・共振型ワイヤレス電力伝送技術」、電子情報通信学会技報、ＷＰＯ２０１１−２４（２０１１−１２）
【非特許文献２】「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」、電気学会論文Ｄ、１３０巻１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】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。また前記目的で、特許文献２は、直列Ｌと、Π型容量回路からなる回路構成、実装構造に関するものである。前記、特許文献２の回路構成では、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がため、特性規格からそのフィルタに要求されるフィルタ特性を満足できない場合がある。そのフィルタ要求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、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及び非特許文献２の回路構成を必要とする。この結合電極と並列共振回路だけでは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。【０００８】  また、特許文献２の電力供給用フィルタは、非特許文献２にも示されている図３に示されているＣ結合帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）の両端に直列Ｌを設けた回路構成である。このＣ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、充電器として要求される電力伝送効率が高く、結合容量値が適当で、インピーダンス調整が用意な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】
【０００９】上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の電界結合電力供給用システムにおいて、高効率特性を持ち、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、結合容量を含むΠ型回路と直列にインダクタ（Ｌ）を設けた電力供給システム用フィルタにおいて、フィルタを構成ＬＣ素子値の損失を考慮したシミュレーションをおこない、その損失に適当な結合容量を用いる事により、効率規格等で、バラツキの少ない電界結合型電力供給システムを特徴とする。上記電界結合型電力供給システムは入出力端の並列共振回路のＬは５μＨ以下及び結合容量値を２ｐＦ以下とした事を特徴とする電界結合型電力供給システム。
本発明の平衡型回路構成を図４及び請求項４に示している。この回路構成は入出力の並列共振インダクタを変成器構成にして、多くの適用機器に使えるように出来る。
【発明の効果】
【００１０】  本発明によれば、結合容量の小さい値に設定された電界結合型電力供給用システム用フィルタにより、高効率特性を有するフィルタが得られ、電界結合型電力供給用システム用フィルタはこの結合容量値が変化し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、電界結合型電力供給用フィルタとして、請求項記載の結合容量に、入出力並列共振器の共振器インダクタ値以下のインダクタを結合容量に直列に設ける事により、高効率特性の電界結合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】
【００１１】
【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フィルタの特性を説明するための図である。
【図３】図３は本発明の電界結合型フィルタの特性を説明するための図である。
【図４】図４は本発明の図１の平衡型回路構成である。
【図５】図５は非特許文献２に示されているＣ結合帯域通過型フィルタである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  電界結合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５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、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、本発明の電界結合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インダクタを介して結合容量に接続されている図５のＣ結合ＢＰＦ構成を基本として、構成する素子のＱｕを想定し、その必要結合容量値に設定できる事を特徴とする。
【００１３】（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。
【００１４】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。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
【数２】
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【００１７】  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】
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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。
【００１８】
【数４】
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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を含む入出力端並列共振器である。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。
【００１９】
【数５】
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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。
【００２０】
【数６】
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また、電力伝送効率特性η２１は数（７）で得られる。
【数７】
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【００２１】（２）シミュレーション検討
本シミュレーションは２７ＭＨｚ帯の電界結合型電力伝送システム用フィルタについておこなった。２７ＭＨｚの電界結合フィルタについては、［非特許文献２］に示されている方法で、図１に回路構成について、構成ＬＣ値の損失をゼロとして示されている。実際は、各ＬＣが有限のＱｕであるとして、シミュレーションをおこない、このＯｕ値による特性変化を求めた。このＱｕ値はＬＣ材料に関係し、この電界結合ワイヤレス給電器の形状にも関係する。特に、形状評価は、各ＬＣのＱｕ値と結合容量値の関係を杷握し、小型化された、高効率特性の電界結合ワイヤレス給電器を得る手法を示す。大きな課題は、構成部品損失（Ｑ）特性とワイヤレス給電器の特性の杷握する事である。
【シミュレーション１】
【００２２】  請求項１及び請求項２の場合について、伝送周波数を２７ＭＨｚとして、特許文献２の電界結合用フィルタを基にして、算出された素子値を用いて、この素子値のＱｕを５０として、前記シミュレーション算出した特性を図２（１）に示しています。この特性では効率特性等の規格を満足しません。ここで、請求項１に示す、前記フィルタの両端に並列共振器を設けると、図２（２）に示す如く、中心周波数２７ＭＨｚを満足しない以外は効率特性等全て満足します。この相違は全ての素子値を一定値変動させれば、図２（３）に示す如く全ての規格を満足します。両端に並列共振器を設ける事により、電界結合ワイヤレス給電器の特性が改善される。この場合、図１の回路構成において、構成ＬＣの損失値は、Ｑｕを５０とした場合の評価です。
【シミュレーション２】
【００２３】請求項１及び請求項２の場合について、伝送周波数を２７ＭＨｚとして、特許文献２の電界結合用フィルタを基にして、図１の回路構成各ＬＣのＱｕは無限大として、算出されますが、実際はその各構成ＬＣの材料により有限の値です。ガラスエポシキ基板の容量は５０程度、トロイダルコイル等はその大きさにより異なりますが良くても１００程度と思われます。また、この電界結合用フィルタを搭載し部品の配線接続線も材料により異なりますが、５０程度と想定されます。最近、小型化の観点から、この総合Ｑｕはより低い値になる傾向があります。ここでは、電界結合用フィルタ特性を図２（３）に示す如く、中心周波数を２７ＭＨｚとして、Ｑｕを一定値として、図２（３）の特性に構成ＬＣ値を変化させて求めました。その各Ｑｕ値と図１の構成ＬＣ値を表１に示しています。この表１において、結合容量Ｃ３に着目すると、表２のような値を示します。即ち、構成ＬＣ値のＱｕが１０の場合結合容量は０．８９８ｐＦ、構成ＬＣ値のＱｕが５０の場合１．４２ｐＦとなる事を示している。性能の観点からは、いえばＱｕは大きい方が良いが、小型化の観点からはＱｕは小さい方が良い。その妥協点が表１の各Ｑｕに対する構成素子値の値である。
【表１】
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【表２】
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表２には、主要注目素子が結合容量Ｃ３とした場合の、Ｑｕと結合容量値の関係を示したものです。
この表からは、Ｑｕ＝１００の場合の結合容量値Ｃ３＝１．６６ｐＦですので、この結合容量値が形状、効率特性を示す値であれば、このＱｕ値を用いて製作すればよいと思われます。このＱｕとＣ３の関係で判定すれば良いと思われます。
【シミュレーション３】
【００２４】前記、シミュレーション１に示した以外に、特許文献２の電界結合用フィルタはシミュレーション２に示した如く構成素子の損失に伴う、伝送周波数２７ＭＨｚにおける損失が避けがたく効率特性の劣化が避けがたい。図１に示す如く、入出力端にＬＣ並列共振回路を設ける事により、伝送周波数２７ＭＨｚ近傍における損失を、前記電界結合用フィルタと入出力並列共振回路の反射により、図３に示す如く、少なくする事が出来る事も図１の回路構成の特徴である。図３に示す特性は入出力端にＬＣ並列共振回路を共振回路ではなく、単体ＬＣを用いても、前記シミュレーションは結果は、伝送周波数２０ＭＨｚにおいても、確認している。伝送周波数２７ＭＨｚ以下の周波数においては、請求項の関係は維持される。
【００２５】請求項１、請求項２、請求項３及び請求項４は不平衡型回路を用いたシミュレーション検討結果を示したが、図１の平衡型回路構成は図４に示している。シミュレーション特性は前記不平衡型回路と同様の特性が得られる。
【００２６】従来、電界結合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Ｃ結合ＢＰＦを用いた構成を基本として、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、電界結合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。
【産業上の利用可能性】
【００２７】高減衰となり、高効率特性の電界結合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】
【００２８】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
Ｃ３・・・結合用キャパシタ
Ｌｐ・・・並列共振用インダクタ
Ｃｐ・・・並列共振用キャパシタ
Ｃ３１、Ｃ３２・・・平衡型回路の結合用キャパシタ
Ｌ１１、Ｌ１２・・・平衡型回路のインダクタ
Ｌ２１、Ｌ２２・・・平衡型回路のインダクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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