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JP2011082985A - 電磁フィルタ装置および当該電磁フィルタ装置を備える電子機器 - Google Patents

電磁フィルタ装置および当該電磁フィルタ装置を備える電子機器 Download PDF

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JP2011082985A JP2010227279A JP2010227279A JP2011082985A JP 2011082985 A JP2011082985 A JP 2011082985A JP 2010227279 A JP2010227279 A JP 2010227279A JP 2010227279 A JP2010227279 A JP 2010227279A JP 2011082985 A JP2011082985 A JP 2011082985A
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Abstract

【課題】電子機器からの電磁ノイズ遮断特性を保証しながら、伝送特性を劣化させずに所定周波数の磁界結合を用いた電力伝送機能を電子機器に導入する電磁フィルタ装置を提供する。
【解決手段】本発明による電磁フィルタ装置は、シールド導体101に設けられたシールド開口部102と、両端でシールド導体101にそれぞれ接続され、シールド導体101を複数の分割開口部112群に分割する複数の導電体ストリップ111と、導電体ストリップ111のそれぞれに所定間隔で設けられた複数の帯域阻止フィルタ113とを備える。シールド開口部102を分割開口部112群に分割したことにより、シールド開口部102を介したノイズ漏洩量の抑圧が可能となる。シールド開口部102を通過する所定周波数の磁界に起因して所定周波数の電流が各導電体ストリップ111を流れぬよう各帯域阻止フィルタ113が阻止することにより、所定周波数の磁界結合を利用した無線電力伝送特性の劣化を回避することができる。
【選択図】図1A

Description

本発明は、外部の機器と非接触で電力の伝送を行う電子機器に好適に搭載される電磁フィルタ装置、および当該電磁フィルタ装置を備える電子機器に関するものである。
古くから電子機器に無線通信機能を取り入れる取り組みがなされてきた。無線通信インターフェイスを電子機器筐体に内装した場合、アンテナを内装する部分の導電シールド構造を切り欠く必要がある。これは、無線システムで用いる動作周波数fpの電磁エネルギーが電磁シールド機能を有する筐体を通過する必要があるからである。一方、周辺機器への悪影響を避けるために、電子機器から輻射する電磁ノイズは、一定強度以下に抑圧するように規制されている。
特定の周波数の電磁エネルギーを通過させ、不要帯域の電磁ノイズの漏洩を遮断する従来のシールド技術が、電波レーダ装置について開示されている(特許文献1)。
特許文献1に開示されたレーダ装置は、レーダ本体を被覆する導体からなる導電シールド構造を備えている。導電シールド構造は、アンテナに対向する部分に形成された周波数選択用のスクリーン部を有している。スクリーン部の外縁で両端が短絡された追加導体によってスクリーン部が複数の開口部に分割されている。その結果、所定周波数fpよりも低い周波数fLのノイズ電磁波を遮断することができる。また、各開口部の共振周波数を所定周波数fpに設定することによって、所定周波数fpの電磁波を透過させることが可能である。
特許文献2は、特許文献1のシールド構造において困難であった、通過周波数fpより高い周波数fHの電磁ノイズをシールドすることを可能とした構成を開示している。特許文献2の発明も、特許文献1と同様の構成を有している。すなわち、スクリーン部を分割した複数の開口部が、所定周波数に対して共振スロットアンテナとして機能し、共振させた開口部を介して所定周波数の電磁波の通過を実現している。特許文献2の発明においては、分割された開口部が有する2つの対向する外縁部間を短絡するバンドパスフィルタが追加されている。このバンドパスフィルタにより、所定周波数fpより高い周波数fHの電磁波の通過が阻止される。特許文献2の技術によれば、所定周波数fpの電磁波の通過を許容し、所定周波数より低い周波数fLの電磁波の通過を遮断するだけでなく、高い周波数fHの電磁波の通過をも遮断することができる。
特許文献3は、FSS(周波数選択表面)と呼ばれる高周波技術に関する発明を開示している。動作原理は、特許文献1および2の装置において、周波数fpの電磁波が導電シールド構造を通過する原理と同様である。
一方、非接触電力伝送システムの電子機器への搭載が開始されている。このような非接触電力伝送システムが電子機器に搭載された場合も、無線通信システムを電子機器に搭載した場合における上述の問題を同様に解決する必要がある。電力伝送方式としても、従来検討されてきた電磁誘導方式だけでなく、特許文献4に記載の磁気共振方式が提案されている。特許文献4に記載の磁気共振方式では、共振アンテナ間の共振モード間結合を利用して、従来の電磁誘導方式より長距離、高効率な電力伝送が可能である。特に共振磁界を利用することにより、共振電界を利用した場合と比較して、周辺生体への影響も回避できるものと考えられている。
特開平11−248835号公報 特開2004−297763号公報 特開平9−135197号公報 米国出願公開2008/0278264−A1公報(図8、図11)
特許文献1から特許文献3に記載された構成では、シールド構造表面もしくは近傍に形成した共振回路を介して、電力エネルギーのやり取りを行う。このため、共振スロットアンテナの開口部縁の導体に共振電流が流れることになる。また、周波数選択表面板内に定在波として共振電界モードが生じる。上記の構成には、これらの共振電流や共振電界モードに起因する、不要な電力消費が電力伝送効率の低下を招くという課題があった。
特許文献4には、特性を劣化させずにアンテナを電子機器に搭載する方法、および、電力伝送システムを搭載する電子機器から発生する電磁ノイズを抑圧する方法、のいずれも開示されていない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、伝送効率を劣化させることなく無線電力伝送システムの電子機器への搭載を可能とすることを第1の目的とする。また、本発明は、所定周波数以外の帯域の不要な電磁ノイズ漏洩を抑圧する電磁シールド特性を発現させることを第2の目的とする。好ましい実施形態では、これら2つの目的を同時に達成する電磁フィルタ装置を提供する。
本発明の電磁フィルタ装置は、高周波電力の無線伝送のための送電アンテナおよび受電アンテナの間に配置される電磁フィルタ装置であって、第1開口部を有する導電体と、前記1開口部を複数の第2開口部に分割するように両端が前記導電体に電気的に接続される少なくとも1つの導電体ストリップと、前記導電体ストリップに設けられ、前記高周波電力の周波数で電流が前記導電体ストリップを流れることを阻止する複数の帯域阻止フィルタとを備える。
本発明の電子機器は、高周波電力の無線伝送のためのアンテナと、電磁フィルタ装置とを備える電子機器であって、前記電磁フィルタ装置は、第1開口部を有する導電体と、前記1開口部を複数の第2開口部に分割するように両端が前記導電体に電気的に接続される少なくとも1つの導電体ストリップと、前記導電体ストリップに設けられ、前記高周波電力の周波数で電流が前記導電体ストリップを流れることを阻止する複数の帯域阻止フィルタとを備える。
本発明の電磁フィルタ装置によれば、無線電力伝送機能の劣化を招かず、電子機器から漏洩する電磁ノイズを抑圧できる。
本発明の実施形態1における電子機器の外観を模式的に示す斜視図 本発明の実施形態1における電子機器から電磁フィルタ装置を取り除いた状態を示す斜視図 本発明の実施形態1における電磁フィルタ装置を模式的に示す斜視図 本発明の実施形態1に係るシールド構造の構成を示す断面図 本発明の実施形態1における電磁フィルタ構造を示す平面図 図3の導電体ストリップ11aの詳細構成を示す部分拡大図 第1の比較例に係るシールド構造の構成を示す斜視模式図 第2の比較例に係る電磁フィルタ装置の構成図 第3の比較例に係る電磁フィルタ装置の構成図 本発明の実施形態2に係る電磁フィルタ装置の断面図 本発明の実施形態3に係る電磁フィルタ装置の平面図 本発明の実施形態4に係る電磁フィルタ装置の図 本発明の電磁フィルタ装置の他の構成例を示す断面図
以下、図面を参照しながら、本発明による電磁フィルタ装置の実施形態を説明する。説明のために、図中に示すようなXYZ座標を導入し、また、同様の構成要素には同じ参照番号を付与する。
(実施形態1)
本発明による電磁フィルタ装置の第1の実施形態を説明する。まず、図1Aを参照する。図1Aは、本実施形態における、電磁フィルタ装置を搭載した電子機器の斜視図である。
図1Aに示す電子機器は、高周波電力の送受を行うためのアンテナ105と、アンテナ105および不図示の電子部品を取り囲むシールド導体101と、シールド導体101の開口部(シールド開口部102)に取り付けられた電磁フィルタ装置103とを備えている。現実の電子機器は、その内部にアンテナ105以外の各種電子部品を備えているが、簡単のため、電子機器が本来的に有する他の構成要素は図示していない。図のシールド導体101は、直方体の形状を有しているが、現実のシールド導体101の形状は、図示されるものに限定されない。図1Aにおいて、シールド開口部102はシールド導体101の正面に大きく形成されているが、現実の電子機器におけるシールド開口部102の形状、サイズ、および位置は、アンテナ105の形状、サイズ、位置に合わせられてもよい。
次に、図1B、図1Cを参照する。図1Bは、電子機器から電磁フィルタ装置103を取り除いた状態を示す斜視図であり、図1Cは、本実施形態の電磁フィルタ装置103のみを示す斜視図である。
アンテナ105は、図1Bに示すように、電子機器のシールド導体101の内部に位置し、シールド導体101に設けられたシールド開口部102に対向している。アンテナ105は、不図示の回路または電子部品に電気的に接続されている。本実施形態のアンテナ105は、電力を無線(非接触)で送受する素子である。電力の無線伝送を実行するとき、アンテナ105の共振周波数と同一の周波数で共振する他のアンテナの近くに電子機器が配置される。共振磁界を利用する方式無線伝送方式によれば、アンテナ間の距離は、数cmから数メートルの広い範囲から任意に選択可能である。なお、本発明の電子機器は、無線通信などの目的で電磁波の送受信を行う通常のアンテナを備えていても良い。また、アンテナ105そのものが電磁波の送受信を行う通常のアンテナとして動作し得るものであっても良い。ここで、「通常のアンテナ」とは、遠方へ放射電磁界を放射するタイプのアンテナを意味し、モノポール、ダイポール、パッチアンテナ、スロットアンテナ、ヘリカルアンテナなどを含み得る。このアンテナは、ループアンテナなど波長に対して小型に形成された通信用アンテナであってもよい。電磁誘導方式の場合、電力を伝送する無線周波数においてアンテナ105は共振しないように設定され得る。
本実施形態の電磁フィルタ装置103は、図1Cに示すように、開口部202を有する導電体(接地導体110)と、開口部202を複数の分割開口部112に分割するように両端が接地導体110に電気的に接続される複数の導電体ストリップ111とを備えている。導電体ストリップ111には、高周波電力の周波数で電流が導電体ストリップ111を流れることを阻止する複数の帯域阻止フィルタ113が設けられている。高周波電力の周波数は、例えば10kHzから10GHzの範囲にある。図1Cに示す例では、4本の導電体ストリップ111により、1つの開口部202が6個の分割開口部112に分割されている。
本実施形態では、図1Aに示すように、電磁フィルタ装置103が電子機器のシールド導体101のシールド開口部102を塞ぐようにシールド導体101に取り付けられている。図1Aおよび図1Bに示すシールド導体101は、アンテナ105を包囲する形状を有しており、接地されている。シールド導体101は、その内部に格納した電子機器と外部空間とを電磁気的に遮断する機能を発揮する。シールド導体101は、例えば、厚さ100ミクロン〜10mmの金属シートから形成される。シールド導体101は、金属の網またはメッシュ構造を有していても良い。電子機器の全体がシールド導体101によってカバーされている必要はない。しかし、電子機器内から放射され得る電磁ノイズの悪影響を効果的に抑制するためには、シールド導体101が電子機器の実質的に全体をカバーしていることが望ましい。
次に図2を参照する。図2は、本実施形態の電子機器の断面構成例を示す図である。本実施形態におけるアンテナ105は、アンテナ基板104上に形成された導電体パターンから構成されている。このような導電体パターンは、パターニングされた金属の箔から形成されていてもよいし、アンテナ基板104上に堆積した金属薄膜をエッチングすることによって作製されていてもよい。アンテナ105は、金属材料を加工することによって形成された自立型の構造物であってもよい。その場合、アンテナ105を支持するアンテナ基板104は不要である。アンテナ105は、好ましくは所定の支持体106を介して電子機器内に固定される。支持体106は、誘電体から形成されてもよいし、低損失な磁性体(例えばフェライト、アモルファス磁性体など)から形成されてもよい。低損失な磁性体から支持体106を形成すれば、電子機器を薄くすることが容易である。
アンテナ105は、図2に示すように、シールド導体101のシールド開口部102に対向する位置に設けられ、電子機器の外部に位置する他のアンテナ505に対向している。電磁フィルタ装置103がシールド開口部102を塞いでいるため、アンテナ105とアンテナ505との間には、複数の導電体ストリップ111および帯域阻止フィルタ113が存在している。これらの導電体ストリップ111および帯域阻止フィルタ113の機能については、後に詳述する。
図2に示す例では、導電体ストリップ111および帯域阻止フィルタ113が1つの誘電体基板109上に設けられている。誘電体基板109は、シールド開口部102を塞ぐようにシールド導体101に固定され、アンテナ105に対向している。本実施形態では、電磁フィルタ装置103の接地導体110がシールド導体101と接触しており、接地導体110とシールド導体101とが電気的に導通している。接地導体110は、シールド導体101とともに、アンテナ105を取り囲むシールド構造を形成している。接地導体110は、シールド導体101および/または不図示の配線を介して接地されている。
図3を参照して、本実施形態の電磁フィルタ装置103の構成をより詳細に説明する。上述の図2は、図3の断面図に相当している。
電磁フィルタ装置103は、シールド開口部102を覆うために十分なサイズを有する誘電体基板109(図2参照)と、シールド開口部102の縁(すなわち内周)に適合するように誘電体基板109上において環状に形成された接地導体110と、誘電体基板109上において接地導体110の内周の内側に形成され、低域周波数fLの電磁波を遮蔽する導電体ストリップ111a〜111d(以下、総称して符号「111」を付与)とを備える。接地導体110および導電体ストリップ111は、パターニングされた金属薄膜から構成されている。好ましい例において、接地導体110および導電体ストリップ111は、1つの金属薄膜をパターニングすることにより、一体的に形成されている。本実施形態では、接地導体110、導電体ストリップ111、および帯域阻止フィルタ113が、図2に示すように、誘電体基板109の+Y側の面に形成されている。
本実施形態では、シールド開口部102は矩形形状を有している。従って、接地導体110の内周(開口部202)もまた、辺110a,110b,110c,110dを備えた矩形形状を有する。導電体ストリップ111a〜111dのそれぞれは、接地導体110の内周の内側において、接地導体110の対向する部分を電気的に接続するように誘電体基板109上に形成されている。
より詳細には、導電体ストリップ111a〜111cは、それぞれ、接地導体110の対向する2辺110b、110dを電気的に接続するようにZ軸方向に延在している。このような導電体ストリップ111a〜111cは、X軸方向に所定間隔で配列されている。一方、導電体ストリップ111dは、接地導体110の対向する2辺110a、110cを電気的に接続するようにX軸方向に延在している。
本実施形態では、Z軸方向に延在する導電体ストリップの数N1が3本、X軸方向に延在する導電体ストリップの数N2は1本である。しかし、本発明は、このような例に限定されず、N1+N2の値が1以上であれば、本発明の効果は発現する。
Z軸方向に延びる導電体ストリップ111a〜111cとX軸方向に延びる導電体ストリップ111dは互いに交差し、交差位置で互いに電気的に接続される。接地導体110は、シールド開口部102の縁においてシールド導体101に電気的に接続される。導電体ストリップ111a〜111dは、シールド開口部102を複数の第2開口部(分割開口部112)に分割する。シールド開口部102の内周、すなわち接地導体110の内周は、X軸方向の長さXscとZ軸方向の長さZscとによって規定されるサイズを有している。各分割開口部112は、X軸方向の長さXapと、Z軸方向の長さZapとを有する。好ましい例において、少なくとも1つの分割開口部112は、高周波電力の周波数によって規定される電磁波の波長よりも短い周辺長を有する。
次に、図4を参照して帯域阻止フィルタ113の構成および動作を説明する。図4では、簡単のため、導電体ストリップ111dと、その上の帯域阻止フィルタ113のみが示されている。
本実施形態において、各導電体ストリップ111a〜111dは、図4に示すように、複数の帯域阻止フィルタ113a,113b,113c,…(以下、総称して符号「113」を付与)を備えている。帯域阻止フィルタ113は、インダクタ203(例えばコイル)と容量205(例えばキャパシタ)とが並列に配置された構成を有している。帯域阻止フィルタ113は、インダクタ203と容量205とが並列に接続されたLC共振回路として機能する。帯域阻止フィルタ113は、複数の導電部分に分離された導電体ストリップ111の分離箇所に挿入されている。より詳細には、図4に示すように、直線上で離間する2つの導電部分を連結するようにインダクタ203および容量205が並列的に設けられている。本実施形態において、1本の導電体ストリップ111が複数の導電部分に分割され、離間しているが、導電体ストリップ111の構成は、このような例に限定されない。導電体ストリップ111は、帯域素子フィルタ113が配置される箇所において、電流の通過を阻止する絶縁部を備えていればよい。
帯域阻止フィルタ113は、導電体ストリップ111を通過する高周波電流成分のうち、周波数fpの近傍の高周波電流成分のみを遮断するように設計される。より具体的には、以下の式1で示される帯域阻止フィルタの共振周波数fが所定の周波数fpに一致するように、インダクタンスLおよび容量値Cの大きさが設定される。
f=1/(2π×(LC)0.5) ・・・(式1)
複数の導電体ストリップ111a〜111dのそれぞれにおいて、隣接する帯域阻止フィルタ113は、互いに所定距離Lstだけ離れて配置される。
導電体ストリップ111d上の任意の領域115から、導電体ストリップ111dに沿って接地導体110の内周の辺110a,110c(図3)へ到達するまでの経路としては、図4に矢印で示す2つの経路116a,116bが存在する。所定周波数fpの高周波磁界が領域115の周囲の空間に分布した際、高周波磁界と導電体ストリップ111dとの間の相互作用により、領域115に電荷が発生する。発生した電荷は経路116a,116bに沿って接地導体110に流れようとする。
本実施形態の構成では、経路116aの側に帯域阻止フィルタ113bが挿入されるとともに、経路116bの側にも帯域阻止フィルタ113cが挿入されている。このため、領域115で発生する所定周波数fpの高周波電流は、帯域阻止フィルタ113b,113cにより阻止される。その結果、領域115から接地導体110へと流れる高周波電流自体が発生しえなくなる。よって、領域115の周囲の空間に所定周波数fpの高周波磁界が分布しても、導電体ストリップ111dと分布高周波磁界との間の相互作用は抑圧される。
導電体ストリップ111を複数の箇所で分断するよう、複数の帯域阻止フィルタ113を1つの導電体ストリップ111に配置すると、所定周波数fpの高周波電流が流れえない領域を導電体ストリップ111上に広く出現させることが可能となる。
図3に示す例では、Z軸方向に平行な導電体ストリップ111a〜111cと、X軸方向に平行な導電体ストリップ111dとが、各交差点において、それぞれ電気的に接続される。この例では、導電体ストリップ111上の所定の領域から接地導体110までの経路が3つ以上存在する。このような場合においても、帯域阻止フィルタ113をすべての経路に挿入し、所定周波数fpの高周波電流が流れえない領域を導電体ストリップ111上に出現させることが可能となる。この場合、電磁フィルタ装置103に存在する導電体ストリップ111上の全領域において、所定周波数fpの高周波電流が流れることを禁じることが好ましい。そうすれば、電磁フィルタ装置103を±Y方向に通過する所定周波数fpの高周波磁界は、導電体ストリップ111と一切相互作用を起こせなくなる。従って、本実施形態の電磁フィルタ装置103では、各導電体ストリップ111上に設けられた複数の帯域阻止フィルタ113により、複数の分割開口部112が所定周波数fpで共振しなくなる。このことにより、当該所定周波数fpの高周波磁界が電磁フィルタ装置103を自由に通過することができるようになる。
上記の原理で動作するシールド技術は、従来の共振スロットアンテナを利用するシールド技術と比較して、導電体ストリップ111での導体損失を低減できる。導電体ストリップ111での導体損失は、無線電力伝送効率を劣化させるため、導体損失の低減は、無線電力伝送効率の劣化を抑制する。また、本実施形態の電磁フィルタ装置は、共振器内での電界分布を利用する周波数選択表面板と比較しても、誘電損による無線電力伝送効率の劣化を回避できるため、効率劣化が少ない。
一方、所定周波数fp以外の高周波電流は、導電体ストリップ111を流れることができる。より詳細には、fp>fLである周波数帯域fLでは、インダクタ回路203へ高周波電流が流れる。fp<fHである周波数帯域fHでは、容量回路205を高周波電流が流れえる。このため、導電体ストリップ111は、所定周波数fp以外の帯域では、従来のシールド技術と同等の電磁ノイズのシールド特性を保持することができる。
各導電体ストリップ111上において隣接する帯域阻止フィルタ113間の距離は、Nを1以上の整数とするとき、実効的にN/2波長に等しくならないよう設計されることが好ましい。言い換えると、高周波電力の周波数によって規定される電磁波の波長をλとするとき、複数の帯域阻止フィルタ113は、導電体ストリップ上において、(N/2)×λとは異なる間隔で配列されていることが好ましい。
所定周波数fpの高周波電流に対して、領域115の両端が回路的に開放された状態となり、領域115の線路長が実効的にN/2波長に等しい場合、導電体ストリップ111の領域115自体が共振アンテナとして機能する。その結果、不要な導体損失により、伝送効率を劣化させる危険性がある。よって、隣接する帯域阻止フィルタ113間の距離は、実効的にN/2波長とは異なることが好ましく、実効的にN/2波長よりも短い距離に設定されることが更に好ましい。
次に、図5、図6、図7を参照して、本実施形態に対する比較例として、従来技術の電磁フィルタ装置の構成および動作を説明する。
図5は、導電体ストリップ111を有さない従来技術に係る構成(第1の比較例)を示す斜視図である。第1の比較例においては、電磁フィルタ装置103を介した低周波数帯の不要な電磁ノイズの通過を抑圧する対策はとられておらず、従って、低域ノイズ成分の遮断特性を向上させることができない。
図6は、第2の比較例に係る電磁フィルタ装置の構成を示す断面図であり、図7は、第3の比較例に係る電磁フィルタ装置の構成を示す断面図である。
第2の比較例は、第1の比較例に図6の電磁フィルタ装置を追加した構成を有する従来技術である。図6を参照すると、電磁フィルタ装置は、図3の電磁フィルタ装置と同様の誘電体基板109と接地導体110とを備えている。この電磁フィルタ装置は、さらに、誘電体基板109上において接地導体110の内周の内側に形成された、帯域阻止フィルタ(すなわちLC並列共振回路113)を持たない複数の導電体ストリップ21a〜21c(以下、総称して符号「21」を用いる。)を備えている。
導電体ストリップ21a〜21cは、それぞれ、接地導体110の対向する2辺110b,110dを電気的に接続するようにZ軸方向に延在している。このような導電体ストリップ21a〜21cは、X軸方向に所定間隔で配列されている。これにより、導電体ストリップ21a〜21cは、図5のシールド開口部102を複数の分割開口部112に分割する。
各分割開口部112のX軸方向の長さXapを、シールド開口部102のX軸方向の長さXscより減じることにより、垂直偏波の放射電磁波に対してシールド効果を発現できる。この構造では、各分割開口部112のZ軸方向の長さZapは、シールド開口部102のZ軸方向の長さZscと同じである。すなわち、第2の比較例では、広い面積を有するシールド開口部102を、狭い面積を有する複数の分割開口部112の集合へと置換することになる。これによって、電磁フィルタ装置を通過する低周波帯の電磁ノイズに対するシールド効果が生じ、低域ノイズ成分の遮断特性を向上する。
仮に、抑圧すべきノイズ電磁波の偏波成分が水平偏波成分を含む場合、垂直偏波の放射電磁ノイズだけでなく、水平偏波の放射電磁ノイズに対してもシールド効果を発現することが必要となる。図7に示す第3の比較例は、第2の比較例の構成に加えて、帯域阻止フィルタ(すなわちLC並列共振回路113)を持たない複数の導電体ストリップ21d〜21fを追加した構成を有する。
導電体ストリップ21d〜21fは、それぞれ、接地導体110の対向する2辺110a、110cを電気的に接続するようにX軸方向に延在している。このような導電体ストリップ21d〜21fは、Z軸方向に所定間隔で配列されている。これにより、導電体ストリップ21a〜21fは、図5のシールド開口部102を複数の分割開口部112に分割する。垂直偏波と水平偏波との両方の放射電磁波に対してシールド効果を発現させるためには、図7に示すように、図6の電磁フィルタ装置の構成に対してX軸方向に延在する導電体ストリップ21d〜21fを追加し、分割開口部112のZ軸方向の長さZapをシールド開口部102のZ軸方向の長さZscよりも減ずることが有効である。広い面積を有するシールド開口部102を、狭い面積を有する分割開口部112の集合に置換することによって、低域ノイズ成分の遮断特性を向上することができる。
しかしながら、第2および第3の比較例では、所定周波数の高周波磁界が電磁フィルタ装置を通過する際に、通過高周波磁界と導電体ストリップ21との間の相互作用が避けられない。この相互作用により導電体ストリップ21上に電荷が発生すれば、発生した電荷は、導電体ストリップ21と接地導体110およびシールド導体101との短絡点である電磁フィルタ装置の端部まで流れることになる。導電体ストリップ21上に高周波電流が流れることにより生じる導体損失に起因して、電力伝送効率は劣化してしまう。よって、第2および第3の比較例では、所定周波数fpを用いる電力伝送システムの効率が劣化する。
一方、本発明の実施形態に係る電磁フィルタ装置103では、前述のように、各導電体ストリップ111に帯域阻止フィルタとして機能する複数のLC並列共振回路113を挿入している。その結果、所定周波数fpで行われる無線電力伝送システムの効率劣化を回避する第1の目的と、電磁ノイズ成分の遮断特性を保持する第2の目的との両方を達成することができる。
従来のフォトニックバンド技術では、周期構造を備えた誘電体を用いることによって、空間内を進行する電磁波の採りうるエネルギー状態を制御することができる。ただし、従来のフォトニックバンド技術は、アンテナや蛍光体等の電磁波放出源からの放射特性を変化させることに用いられている。一方、本発明は、高周波磁界を供給するアンテナ近傍で分布する高周波磁界と導体を結合させないための新規構造である。本発明は、この点で従来技術とは大きく異なる原理で動作する。
また、一般的にフォトニックバンド構造を用いて電磁波を放射する利用例として、放射方向に周期構造の乱れを導入することが多い。すなわち、周期的に誘電率を変化させた構造にて放射源周辺を形成した後、放射方向ではその周期性を低下させることにより、電磁波エネルギーを効率的に単方向に放出する利用法である。この場合、エネルギーを放出する方向以外への放射を抑圧するよう、周期構造により実現される電磁波反射構造を配置する。
一方、本発明の構造では、高周波磁界が通過する方向に、電磁波のエネルギー状態を制御するよう設計された導体構造が配置されている。これは、本発明の構成が、空間を進行する電磁波に対してではなく、導電体ストリップ111上を電流によって伝搬する電磁エネルギーを選択的に遮断しているからである。このように、本発明の構成は、従来技術とは異なる電磁波エネルギーの制御方法によって、所定周波数fpでの電磁エネルギー伝送効率の劣化を回避する。
第2および第3の比較例において、分割開口部112の縁、すなわち、電磁フィルタ装置の導体部分には所定周波数fpの高周波電流が流れる必要がある。このため、各分割開口部112の縁の長さはスロット共振器長(例えば1実効波長)に設定される。また、二分の一波長モードの共振を利用して、周波数選択表面板を設計した場合も同様である。従って、この場合、共振回路のサイズは、例えば実効波長の半分程度に設定される。仮に、電力伝送システムの動作周波数を13.56MHzに設定した場合、共振スロットアンテナは一周22mのサイズを必要とする。また、誘電率が9のセラミック材を用いた場合の周波数選択表面板は3.7m程度の長さを必要とする。すなわち、従来のシールド構造では、所定周波数fpの電磁波波長に相当するサイズの共振回路を介しているため、不要電磁ノイズの漏洩を回避することが著しく困難になる。また、巨大な分割開口部設定は、従来技術のモバイルAV機器への適用を困難にする。
一方、本発明の実施形態においては、分割開口部112の周囲の導電体ストリップ111に高周波電流は流れない。したがって、各分割開口部112の縁の長さは送受信する高周波磁界の波長に依存せずに設計され得る。したがって、本発明によれば、従来技術における分割開口部112よりもはるかに小型の分割開口部112を構成することが可能となる。分割開口部112を小型に構成することにより、本発明の電磁フィルタ装置103は、低域周波数fL、更には高域周波数fHの電磁ノイズの遮断特性を格段に向上させることが可能である。
垂直偏波の電磁ノイズ成分に対する分割開口部112の遮断特性が発現する周波数の目安として、以下の式2で表されるカットオフ周波数が挙げられる。
f=30/(2×(Xap)) (GHz) ・・・(式2)
カットオフ周波数を所定周波数fpよりも高く設定することにより、所定周波数より高い周波数帯域fHに対しても電磁ノイズ抑圧効果を発現させることが可能となる。特許文献2に開示されている装置で得られる高域fHでの電磁ノイズ抑圧帯域は、共振現象を用いたものであるため、阻止帯域が狭い。一方で、本発明の電磁フィルタ構造における高域fHでの阻止帯域は、カットオフ周波数から所定周波数fpまでの広域にわたる。このため、開口部の分割条件によって極めて広域でノイズ抑圧特性を得ることが可能となる。
(実施形態2)
次に、図8を参照しながら、本発明の第2の実施形態を説明する。図8は、本実施形態に係る電磁フィルタ装置を備えた電子機器の構成を示す断面図である。
本実施形態における電磁フィルタ装置では、図8に示すように、導電体ストリップ111および帯域阻止フィルタ113が誘電体基板109の−Y側の面(すなわちシールド構造の内側)に形成されている。本実施形態では、導電体ストリップ111とシールド導体101とを電気的に接続するために、接地導体110の位置において誘電体基板109を貫通するように、所定間隔の周期で接地導体110の内周に沿って配置された複数のビア導体が設けられる。図8では、ビア導体107a,107b(以下、総称して符号「107」を用いる。)を示す。各ビア導体107の一端は、誘電体基板109の−Y側の面において接地導体110に電気的に接続され、他端は、+Y側の面においてシールド導体101に電気的に接続される。言い換えると、本実施形態では、シールド導体101に対して、接地導体110として機能する導電体を電気的に接続する「端子」を有している。本実施形態の構成は、導電体ストリップ111および帯域阻止フィルタ113がシールド構造の外側に露出せず、電子機器の外観を損ねない、という点で好ましい。
(実施形態3)
次に、図9を参照しながら、本発明の第3の実施形態を説明する。図9は、本実施形態係る電磁フィルタ装置の構成を示す断面図である。
本実施形態では、導電体ストリップ111a〜111cは、それぞれ、接地導体110の対向する2辺110b、110dを電気的に接続するようにZ軸方向に延在している。また、導電体ストリップ111a〜111cは、X軸方向に所定間隔で配列されている。これにより、導電体ストリップ111a〜111cは、シールド開口部102を複数の分割開口部112に分割する。従って、各分割開口部112のX軸方向の長さXapを、シールド開口部102のX軸方向の長さXscより減じることになり、電磁ノイズに対してシールド効果を発現できる。
(実施形態4)
次に、図10Aを参照しながら、本発明の第4の実施形態を説明する。図10Aは、本発明の実施形態に係る電磁フィルタ装置の構成を示す図である。
導電体ストリップ111a〜111cと、導電体ストリップ111dとは同一導体面上に形成されることに限定されず、両面プリント配線基板である誘電体基板109の各導体面にそれぞれ形成されてもよい。
図3の実施形態において、導電体ストリップ111a〜111cと、導電体ストリップ111dとは、互いに交差した位置において互いに電気的に接続されている。本実施形態においても、対応する位置においてビア導体107を介して互いに電気的に接続されてもよい。それに代わって、一部のみがビア導体107を介して互いに電気的に接続されるか、又はまったく接続されなくてもよい。
本発明の実施形態に係る電磁フィルタ装置103は、シールド開口部102の全体を覆うものに限定されない。電磁フィルタ装置103は、アンテナ105に少なくとも一部で対向し、アンテナ105が結合する高周波磁界のフィルタとして動作可能であれば任意に配置され得る。
シールド導体101と接地導体110とを別個に設け、両者を図2に示すように重ね合わせる必要はない。例えば、シールド導体101のうちでY軸に垂直な+Y側の面の全体を接地導体110から構成してもよい。この場合、シールド導体101と接地導体110とを少なくとも一部で一体化するように構成してもよい。
図10Bは、シールド導体101と接地導体110とが同一の金属シートから一体的に形成された構成例を示す断面図である。接地導体110は、シールド導体101のうち、導電体ストリップ111に接続された部分である。この例では、接地導体110とシールド導体101とが一体化されており、両者を区別する必要はない。この場合において、導電体ストリップ111も、接地導体110およびシールド導体101と一体的に形成されていても良い。
なお、上記の実施形態では、シールド導体101の開口部102および接地導体110の開口部202が、共通の形状およびサイズを有し、その内周が整合するように配置されているが、本発明は、そのような例に限定されない。シールド導体101の開口部102は、接地導体110の開口部202より大きくても良いし、小さくても良い。シールド導体101および接地導体110は、電気的に導通しており、1つの導電体として機能し得る。したがって、本発明において、導電体ストリップによって分割される「第1開口部」は、シールド導体101および接地導体110のいずれもが存在しない領域である。
本発明の実施形態に係る電磁フィルタ装置は平面形状に限定されない。電磁フィルタ装置は、アンテナ105の波源を中心とする同心球面状に構成されていてもよく、凹凸を有していても本発明の効果を得ることができる。電磁フィルタ装置が凹凸を有する場合においても、複数の導電体ストリップ111は、説明した実施形態と同様に構成されることが可能である。平面的ではない構造を有する電磁フィルタ装置も、例えば、図3又は図10Aと同様に、シールド開口部102を含む所定の面内において、第1の方向に平行に設けられた複数の第1の導電体ストリップ111と、上記面内において、上記第1の方向に交差する第2の方向に平行に設けられた第2の導電体ストリップ111とを含み得る。交差する導電体ストリップ111は、少なくとも一部で電気的に接続されていてもよい。
本発明の実施形態に係る電磁フィルタ装置は、図3および図9に示すような一面を導体面とするプリント配線基板や、図10Aに示す両面プリント配線基板を用いて構成され得る。ただし、電磁フィルタ装置は、このような構成を有するものに限定されず、3層以上の多層プリント配線基板を用いて構成されてもよい。電磁フィルタ装置の各導体部分(すなわち、接地導体110、導電体ストリップ111および帯域阻止フィルタ113の実装面)が多層プリント配線基板における少なくとも1つの任意の導体層から形成されてもよい。言い換えると、本実施形態で好適に使用され得るプリント配線基板は、少なくとも1つの導体層を有し、導電体ストリップおよび帯域阻止フィルタは、この導体層から形成され得る。
本発明の実施形態に係る電磁フィルタ装置は、誘電体基板又は誘電体材料、磁性体基板、磁性材料を少なくとも一部に用いて構成されるものに限定されない。電子機器の気密性に問題がなければ、導電体ストリップ111が誘電体材料で支持されずに完全に空気中に露出するように構成されてもよい。
以上説明したように、本発明の好ましい実施形態によれば、各導電体ストリップ111において、帯域阻止フィルタとして機能する複数のLC並列共振回路113を備えている。このため、従来技術では困難であった、電磁フィルタ装置により遮蔽したアンテナとの所定周波数fpでの無線電力伝送の伝送効率を劣化させず、かつ、電磁ノイズの遮断効果を有する電磁フィルタ装置を実現することができる。
アンテナ105はループもしくはスパイラル形状のインダクタ回路と、容量回路を少なくとも含み構成される。共振磁界を利用して無線電力伝送を行う実施形態において、アンテナ105は、所定周波数fpで共振する共振回路である。アンテナ105において容量回路は、チップ容量素子などの集中定数素子で実現されてもよいし、インダクタ配線に沿って分布的に生じる容量により実現されてもよい。アンテナ105において、インダクタ回路と容量回路は直列接続されてもよいし、並列接続されてもよい。好ましい実施形態において、アンテナ105は、電力伝送時において、電子機器外部に接近する別のアンテナと磁気的に結合し、電力エネルギーのやり取りを実現する。別のアンテナは、アンテナ105と略等しい共振周波数で共振するよう設計される。
なお、本明細書において共振周波数が「略等しい」とは、2つの共振周波数fT、fRの間に、以下の関係が成立する場合を言うものとする。
(式3) |fT−fR|≦fT/QT+fR/QR
ここで、QTは第1アンテナの共振器としてのQ値、QRは第2アンテナの共振器としてのQ値である。一般に、共振周波数をX、共振器のQ値をQxとした場合、この共振器の共振が生じる帯域はX/Qxに相当する。|fT−fR|≦fT/QT+fR/QRの関係が設立すれば、2つの共振器間で磁気共振によるエネルギー伝送が実現する。
このように、本発明では、エネルギー伝送を行う2つのアンテナの共振周波数fT、fRが完全に一致する必要は無い。共振器間の結合に基づいて高効率なエネルギー伝送を実現するためには、fT=fRが理想的であるが、fTとfRとの差異が充分に小さければよい。
通常の電磁誘導方式によって電力伝送を行う場合、共振方式と同様に、アンテナ105はスパイラル形状のインダクタ回路をベースとする。しかし、電磁誘導方式においては、共振方式とは異なり、システムを構成する送受のアンテナ対において、少なくとも一方は、伝送周波数において非共振である。非共振なアンテナにおいては、アンテナ内に上記の容量回路を導入する必要はない。アンテナ内に上記の容量回路を導入する場合でも。容量回路とインダクタ回路とが形成する共振回路の共振周波数が電力伝送の伝送周波数と一致するように容量回路のキャパシタンスを設定する必要はない。電磁誘導方式による場合、送受アンテナ間距離を広げて用いる条件下では、送受アンテナ間の高い結合係数を維持する必要がある。したがって、スパイラル形状のインダクタ回路は、空芯コイル構造ではなく、1より高い値の透磁率を有する磁性体をコアとして形成することが好ましい。
また、アンテナ105が結合する別のアンテナの個数、また本発明の電子機器内に内包されるアンテナ105の個数はいずれも一つに限定されない。
帯域阻止フィルタを構成するインダクタは、例えば集中定数回路で構成され、チップ回路素子などから構成され得る。また、容量回路素子は、チップ回路素子だけでなく、隣接配線間の間隙容量や、多層配線の層間容量であってもよい。
(実施例)
本発明の有利な効果を実証するべく、図9の構成に基づく実施例1の電磁フィルタ装置と、図3の構成に基づく実施例2の電磁フィルタ装置とを作製した。また、これらの実施例の比較対象かつ従来技術の典型例として、比較例1、2の電磁フィルタ装置を作製した。作製した実施例と比較例では、電磁フィルタ装置の主要な構成パラメータ以外は同一である。以下の説明では、図1等に示すXYZ座標を参照する。
シールド導体101内に格納する受信アンテナ105の構成は以下の通りである。
アンテナ基板は、液晶ポリマー基板(厚さ100μm)である。アンテナの導体部分は、アンテナ基板の25cm×18cmの矩形領域上に形成されており、導体部分は、銅配線からなるスパイラルインダクタと容量素子とを直列に接続した構造を有している。銅配線の線幅は500μm、厚さは35μmであり、アンテナの巻き数は2である。共振周波数は13.56MHzに設定されている。
Y=0をシールド開口部102形成面とし、アンテナ105は、Y=5mmの面に配置した。シールド開口部面のサイズはXsc=40cm、Zsc=30cmとした。X=Z=0をシールド開口部面の重心と定義し、アンテナ105の重心と一致させた。シールド導体外部に配置する送信アンテナも、同様に厚さ100μmの液晶ポリマー基板上に13.56MHzで共振するアンテナを形成し、重心をシールド開口部面の重心と一致させた。送信アンテナには10cm×10cmの領域に配線した6巻きの線幅400μm、厚さ35μmの銅配線のスパイラルインダクタを用いた。送信アンテナと受信アンテナ間のY軸に沿った距離を2cmとし、自由空間上では送受アンテナ間で良好な伝送効率82.2%を得た。
一方、実施例1として、図9の構成に基づき、線幅1mmの導電体ストリップをZ軸方向に延在させ、Y=0面に電磁フィルタ装置を形成した。なお、図と異なり、導電体ストリップの本数は7本で、Xap=5cm、Zap=30cmである。帯域阻止フィルタは、(式1)に基づく共振周波数が13.56MHz近傍となるよう設計した。具体的には、90nH、Q=25のチップインダクタと1500pFのチップコンデンサを並列に配置して構成した。同一導電体ストリップに隣接して配置した帯域阻止フィルタ間の距離は5cmに設定した。一方、実施例1と同様の構成でありながら、導電体ストリップに一切の帯域阻止フィルタを形成しなかった比較例1も作製した。比較例1は自由空間でのアンテナ間伝送効率と比較して17.2%の伝送効率劣化を示したのに対し、実施例1は0.5%しか効率劣化が起こらなかった。また、垂直偏波成分のノイズに対する分割開口部112のカットオフ周波数を(式2)に基づき、3GHzと見積もった。13.56MHz近傍の帯域幅3MHz程度の周波数帯域では電磁ノイズの抑圧効果が得られなかったものの、3MHz、30MHzのいずれの周波数でも、実施例1、比較例1共に、分割開口部112の導入によって25dB以上の垂直偏波ノイズの抑圧効果が得られた。但し、水平偏波の電磁ノイズの抑圧効果が得られ始めるカットオフ周波数は500MHzであった。
次に、実施例2として、実施例1の構成に加えて線幅1mmの導電体ストリップをX軸方向にも延在させ、図3の構成に基づく電磁フィルタ装置を形成した。なお、図と異なり、Z軸方向に沿った導電体ストリップの本数は5本で、Xap=5cm、Zap=5cmである。同一導電体ストリップに隣接して配置した帯域阻止フィルタ間の距離は5cmに設定した。
一方、実施例2と同様の構成でありながら、導電体ストリップに一切の帯域阻止フィルタを形成しなかった比較例2も作製した。比較例2は自由空間でのアンテナ間伝送効率と比較して36.1%の伝送効率劣化を示したのに対し、実施例2は0.6%しか効率劣化が起こらなかった。また、Xap=Zap=5cmから導出される分割開口部112のカットオフ周波数は、垂直偏波と水平偏波のいずれの電磁ノイズに対しても3GHzであり、3MHz、30MHzのいずれの周波数でも、実施例2、比較例2共に、垂直、水平いずれの偏波の電磁ノイズに対しても、分割開口部112の導入によって25dB以上のノイズ抑圧効果が得られた。
本発明の電磁フィルタ装置は、電子機器内部に無線電力伝送装置を搭載した場合にも電力伝送効率を劣化させることなく、また電磁ノイズ漏洩の抑圧をも可能とする。このため、簡便な充給電を可能とするモバイルAV機器への適用が有用である。また、本発明は、電気自動車、電動バイク、電気自転車への給電、照明装置への給電、太陽電池や燃料電池からの集電、電子デバイスへの給電などの用途にも応用できる。
101 導電シールド構造、シールド導体
102 シールド開口部
103 電磁フィルタ装置
105 アンテナ
106 誘電体支持体
107、107a、b ビア導体
109 誘電体基板
110 接地導体
110a,b,c,d 接地導体内周の各辺
111、111a〜111d、21、21a〜21f 導電体ストリップ
112 分割開口部
113、113a,113b,113c, 帯域阻止フィルタ
115 導電体ストリップ111d上の領域
116a、116b 導電体ストリップ111a上の経路
203 インダクタ
205 容量

Claims (22)

  1. 高周波電力の無線伝送のための送電アンテナおよび受電アンテナの間に配置される電磁フィルタ装置であって、
    第1開口部を有する導電体と、
    前記1開口部を複数の第2開口部に分割するように両端が前記導電体に電気的に接続される少なくとも1つの導電体ストリップと、
    前記導電体ストリップに設けられ、前記高周波電力の周波数で電流が前記導電体ストリップを流れることを阻止する複数の帯域阻止フィルタと
    を備える電磁フィルタ装置。
  2. 前記複数の帯域阻止フィルタが設けられた導電体ストリップは、同一直線上に配列された複数の導電部分を含んでおり、
    前記複数の導電部分のうち、前記同一直線上で隣接する2つは、前記複数の帯域阻止フィルタの1つによって連結されている、請求項1に記載の電磁フィルタ装置。
  3. 前記複数の帯域阻止フィルタの各々は、LC共振回路である請求項1または2に記載の電磁フィルタ装置。
  4. 前記導電体および前記導電体ストリップを支持する誘電体基板を更に備える、請求項1から3のいずれかに記載の電磁フィルタ装置。
  5. 少なくとも1つの導体層を含むプリント配線基板を有し、
    前記導電体ストリップおよび前記複数の帯域阻止フィルタは、前記導体層から形成されている、請求項1から3のいずれかに記載の電磁フィルタ装置。
  6. 前記高周波電力の周波数は、10kHzから10GHzの範囲にある請求項1から5のいずれかに記載の電磁フィルタ装置。
  7. 前記複数の第2開口部は、前記高周波電力の周波数によって規定される電磁波の波長よりも短い周辺長を有する少なくとも1つの第2開口部を含む、請求項1から6のいずれかに記載の電磁フィルタ装置。
  8. 前記高周波電力の周波数によって規定される電磁波の波長をλとするとき、
    前記複数の帯域阻止フィルタは、前記導電体ストリップ上において、(N/2)×λとは異なる間隔で配列されている、請求項1から7のいずれかに記載の電磁フィルタ装置。
  9. 前記少なくとも1つの導電体ストリップは、
    前記第1開口部に平行な平面に含まれる第1の方向に延びる第1の導電体ストリップと、
    前記平面に含まれ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第2の導電体ストリップと
    を含む、請求項1から8のいずれかに記載の電磁フィルタ装置。
  10. 前記第1の導電体ストリップの少なくとも一部と前記第2の導電体ストリップの少なくとも一部とが相互に接続されている、請求項9に記載の電磁フィルタ装置。
  11. 前記電磁フィルタが取り付けられる電子機器のシールド導体に対して、前記導電体を電気的に接続する端子を有している、請求項1から10のいずれか記載の電磁フィルタ装置。
  12. 高周波電力の無線伝送のためのアンテナと、
    電磁フィルタ装置と
    を備える電子機器であって、
    前記電磁フィルタ装置は、
    第1開口部を有する導電体と、
    前記1開口部を複数の第2開口部に分割するように両端が前記導電体に電気的に接続される少なくとも1つの導電体ストリップと、
    前記導電体ストリップに設けられ、前記高周波電力の周波数で電流が前記導電体ストリップを流れることを阻止する複数の帯域阻止フィルタと
    を備える、電子機器。
  13. 前記複数の帯域阻止フィルタが設けられた導電体ストリップは、同一直線上に配列された複数の導電部分を含んでおり、
    前記複数の導電部分のうち、前記同一直線上で隣接する2つは、前記複数の帯域阻止フィルタの1つによって連結されている、請求項12に記載の電子機器。
  14. 前記複数の帯域阻止フィルタの各々は、LC共振回路である請求項12または13に記載の電子機器。
  15. 前記導電体は、前記アンテナを取り囲むシールド導体に電気的に接続されている、請求項12から14のいずれかに記載の電子機器。
  16. 前記導電体は、前記アンテナを取り囲むシールド導体である、請求項12から15のいずれかに記載の電子機器。
  17. 前記高周波電力の周波数は、10kHzから10GHzの範囲にある請求項12から16のいずれかに記載の電子機器。
  18. 前記複数の第2開口部は、前記高周波電力の周波数によって規定される電磁波の波長よりも短い周辺長を有する少なくとも1つの第2開口部を含む、請求項12から17のいずれかに記載の電子機器。
  19. 前記高周波電力の周波数によって規定される電磁波の波長をλとするとき、
    前記複数の帯域阻止フィルタは、前記導電体ストリップ上において、(N/2)×λとは異なる間隔で配列されている、請求項12から18のいずれかに記載の電子機器。
  20. 前記少なくとも1つの導電体ストリップは、
    前記第1開口部に平行な平面に含まれる第1の方向に延びる第1の導電体ストリップと、
    前記平面に含まれ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第2の導電体ストリップと
    を含む、請求項12から19のいずれかに記載の電子機器。
  21. 前記第1の導電体ストリップの少なくとも一部と前記第2の導電体ストリップの少なくとも一部とが相互に接続されている、請求項20に記載の電子機器。
  22. 少なくとも1つの導体層を含むプリント配線基板を有し、
    前記導電体ストリップおよび前記複数の帯域阻止フィルタは、前記導体層から形成されている、請求項12から21のいずれかに記載の電子機器。
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