JP2010016235A - 平面コイル - Google Patents

Abstract

【課題】平面コイルにおいて、高周波領域での実効抵抗の増大を低減すると共に、薄型化する。
【解決手段】平面コイル１０は、互いに並行な複数本の導電線１１が、略平面状に並べて渦巻き状に巻回され、各導電線１１の端部１３ａ、１３ｂ同士がコイル引出し部１２ａ、１２ｂで電気的に接続されることにより並列接続される。これにより、平面コイル１１は、導電線１１が略平面状並べられるので、コイル厚が増加せず、薄型化される。また、複数本の導電線１１が並列接続されるので、高周波領域での表皮効果による実効抵抗の増大が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触電力伝送装置等に用いられる平面コイルに関する。

従来から、非接触電力伝送技術として、コイルの電磁誘導作用を利用した非接触電力伝送装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１５は、そのような装置を示す。非接触電力伝送装置８０は、対向する送電側コイル８１Ｓ及び受電側コイル８１Ｒ（以下、総称してコイル８１という）を備える。送電側コイル８１Ｓに交流電流を通電することによって、電磁誘導作用により、電力が受電側コイル８１Ｒに伝送される。図１６（ａ）（ｂ）は、コイル８１に用いられる平面コイルの形状を示す。平面コイル８２は、コイルが渦巻き平面状に構成され、薄型化されている。

非接触電力伝送装置８０を小型化するため、一般的にコイル８１は、小型化され、数十〜数百ｋＨｚの高周波で用いられる。図１７は、この種のコイルの実効抵抗の周波数特性を示す。１本の単銅線を巻回してコイルを形成した場合、表皮効果と近接効果の影響により、高周波領域で実効抵抗が増大し、電力の伝送効率が低下する。

そのため、コイル８１は、高周波での実効抵抗の増大を防ぐため、リッツ線を巻回して形成したものが用いられる。図１８は、リッツ線８３の断面構成を示す。リッツ線８３は、一般的に、外径の細い銅の素線８４を複数本束ね、撚って構成されている。リッツ線８３は、このような構成により、素線８４の総表面積が大きくなり、高周波領域での実効抵抗の増大を抑制する（図１７参照）。

しかし、このリッツ線８３を平面コイル８２に適用すると、複数本の素線を撚って構成されるため、その撚線の外径が大きくなり、薄型化が阻害される。

また、コイル８１は、電力の伝送効率の観点からは、コイル外径が大きいほうが良い。コイル８１にリッツ線８３を用いる場合、コイル外径を確保するためには、必要ターン数以上巻回するか、巻線間にスペースを設ける必要がある。図１９は、リッツ線８３の巻線間にスペースを設けて構成した平面コイル８５を示す。この平面コイル８５は、スペース用に不要な部材を使用するか、特別な工法により巻線間にスペースを確保しつつ巻回する必要がある。

一方、図２０は、プリント配線板を用いた平面コイルを示す。この平面コイル８６は、プリント配線板８７の銅箔パターン８８によってコイルが構成され、コイルの内側端部を引出すスルーホール８９を有する。平面コイル８６は、銅箔パターンの表面積が大きく、高周波領域での実効抵抗の増大は少ない。図２１は、平面コイル８６のＸ部分を拡大して示す。銅箔パターン８８は、鎖交する磁束Ｂによる渦電流９１が大きく、銅箔パターン８８の幅を大きくするほど、渦電流損失が大きくなる。
特開２００６−４２５１９号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、平面コイルにおいて、高周波領域での実効抵抗の増大を低減すると共に、薄型化することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、平面コイルにおいて、互いに並行な複数本の導電線が、略平面状に並べて渦巻き状に巻回され、各導電線の端部同士がコイル引出し部で電気的に接続されることにより並列接続されているものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の平面コイルにおいて、前記導電線は、巻回途中において並列接続の線同士の内外周位置の並びが入れ替えられているものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の平面コイルにおいて、前記導電線の並びの入れ替えが、１ターンにつき偶数回なされているものである。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の平面コイルにおいて、前記複数本の入れ替え位置が互いにずれるように配置されるものである。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の平面コイルにおいて、所要ターン数を偶数で割ったターン数、同偶数倍本の導電線を巻回すると共に、内外周の位置の並びが異なる前記導電線をコイル引出し部で並びを入れ替えて直列接続して所要ターン数にしたものである。

請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の平面コイルにおいて、同等構成のコイルを偶数個重ね、内外周の位置の並びが異なる前記導電線をコイル間で並びを入れ替えて直列接続したものである。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の平面コイルにおいて、前記導電線は、銅線であるものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の平面コイルにおいて、前記導電線は、銅箔パターンであるものである。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の平面コイルにおいて、前記銅線は、リッツ線であるものである。

請求項１に記載の発明によれば、導電線が略平面状に並べられるので、コイル厚が増加せず、薄型化される。また、複数本の導電線が並列接続されるので、高周波領域での表皮効果による実効抵抗の増大が低減される。

請求項２に記載の発明によれば、巻回途中において並列接続の線同士の内外周位置の並びが入れ替えられるので、ループ電流の発生が防止されてコイル損失が抑制され、非接触電力伝送に用いた場合、電力伝送の効率が向上する。

請求項３に記載の発明によれば、導電線の並びの入れ替えが１ターンにつき偶数回なされるので、渦巻き形状によるコイル径の変化の影響が軽減されてループ電流が精度良く相殺され、コイル損失が低減される。

請求項４に記載の発明によれば、入れ替え位置が適宜互いにずれるように配置されるので、１箇所に入れ替え位置が集中せず、入れ替えによる厚みの増加が最小限に抑えられる。

請求項５に記載の発明によれば、コイル引出し部で導電線の並びを入れ替えるので、コイル巻回内で導電線の並びを入れ替える必要がなく、コイル巻きが簡単であり、薄型の平面コイルを容易に構成できる。

請求項６に記載の発明によれば、コイル間で導電線の並びを入れ替えるので、コイル巻回内で導電線の並びを入れ替える必要がなく、コイル巻きが簡単である。

請求項７に記載の発明によれば、細い銅線を用いることによって、平面コイルが薄型化される。

請求項８に記載の発明によれば、銅箔パターンの複数本の配線が並列接続されるので、各配線の幅を細くでき、渦電流が減少する。

請求項９に記載の発明によれば、複数本のリッツ線が並べて渦巻き状に巻回されるので、平面コイルに必要なコイル外径が確保される。

（第１の実施形態）
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る平面コイル１０の構成を示す。この平面コイル１０は、互いに並行な複数本の導電線１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ（以下、総称して導電線１１という）が、略平面状に並べて渦巻き状に巻回されて形成される。平面コイル１０のコイル引出し部１２ａ、１２ｂには、導電線１１の端部１３ａ、１３ｂが位置する。導電線１１は、コイル引出し部１２ａで互いに並行な導電線１１の端部１３ａ同士が電気的に接続されると共に、他のコイル引出し部１２ｂで反対端の端部１３ｂ同士が電気的に接続されることにより、並列接続される。導電線１１は、端部１３ａと端部１３ｂとの間では、相互に絶縁されている。導電線１１は、本数が４本に限定されず、２本以上何本でもよく、使用周波数における実効抵抗値並びに平面コイル１０のコイル外径及びコイル厚等の制約から適宜、径と本数が選択される。

図２は、平面コイル１０の等価回路を示す。端部１３ａ、１３ｂ間への通電、又は、平面コイル１０に鎖交する磁束の変化によってコイルに電流が流れる。

平面コイル１０は、例えば、線状の導電線１１を巻線用ボビン（図示せず）に巻回して形成される。巻線用ボビンには、ボビン側板の間隔が導電線１１の径より若干大きい程度の狭いものが用いられ、複数本の導電線１１は、ボビン側板間に挟まれて渦巻き状に巻き取られる。導電線１１は、例えば、エナメル銅線の周りに融着材料の層が設けられた自己融着性絶縁電線である。融着材料は、ポリビニルブチラール樹脂、共重合ポリアミド樹脂、フェノキシ樹脂等である。自己融着性絶縁電線は、加熱又は溶剤処理によって線同士が迅速かつ容易に融着される。平面コイル１０は、導電線１１の融着によって渦巻き状の並びが保持される。形成された平面コイル１０は、巻線用ボビンから外される。

このように、本実施形態の平面コイル１０は、導電線１１が略平面状に並べられるので、コイル厚が増加せず、薄型化される。また、複数本の導電線１１が並列接続されるので、高周波領域での表皮効果による実効抵抗の増大が低減される。さらに、互いに並行な複数本の導電線１１が渦巻き状に巻回されるので、必要なコイル外径の確保が容易である。

上記平面コイル１０を用いた非接触電力伝送について次に説明する。図３は、非接触電力伝送における平面コイルの配置を示す。本実施形態の平面コイル１０から成る送電側コイル１０Ｓと受電側コイル１０Ｒは、例えば、送電側ケース１４と受電側ケース１５を挟んで対向して配置される。磁束Ｂが、送電側コイル１０Ｓと受電側コイル１０Ｒとに鎖交し、送電側から受電側に電力が伝送される。

次に、非接触電力伝送における各平面コイルに鎖交する磁束について、２本の導電線を巻数１ターン巻回した平面コイルを例として詳細に説明する。図４（ａ）（ｂ）は、その平面コイルと磁束を示す。なお、平面コイルの外周より外側の磁束は、図示を省略する。平面コイル１７は、互いに並行な２本の導電線１８、１９が、略平面状に並べて１ターン巻回されている。平面コイル１７のコイル引出し部２０において、導電線１８、１９の端部１８ａ、１９ａをはんだ等で電気的に接続し、他のコイル引出し部２１において、同様に端部１８ｂ、１９ｂを電気的に接続している。コイル引出し部２０、２１から電流を流すことにより、平面コイル１７は、磁束Ｂが鎖交した状態となり、電力が伝送される。磁束Ｂは、電力伝送に寄与する磁束以外に、電力伝送に寄与しない磁束が導電線１８、１９間に存在する。導電線１８、１９間の磁束Ｂは、並列接続された導電線１８、１９にループ状の電流２３を生ずる。このループ電流２３は、平面コイル１７にコイル損失を発生し、電力の伝送効率を低下する。また、ループ電流２３によって平面コイル１７の温度が上昇し、放熱が必要となって非接触電力伝送装置の小型化が阻害される。

図５は、平面コイル１７の等価回路を示す。一方の端部１８ａ及び１９ａが電気的に接続され、他方の端部１８ｂ及び１９ｂが電気的に接続され、両端部間がコイルとなっている。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る平面コイル２４の構成を示す。この平面コイル２４は、第１の実施形態と同様の構成に加え、導電線２５、２６は、巻回途中において並列接続の線同士の内外周位置の並びが入れ替えられている。導電線２５、２６の並びが入れ替えられる入れ替え部２７は、平面コイル２４のコイル引出し部２８、２９からの線長が略同じ位置に配置することが好ましい。コイル引出し部２８、２９のそれぞれにおいて、導電線２５、２６は、電気的に接続される。

上記のように構成された平面コイル２４では、コイル引出し部２８と入れ替え部２７の間（図６のコイル２４左側）と、入れ替え部２７とコイル引出し部２９の間（図６のコイル２４右側）では、導電線２５、２６を流れるループ電流が逆方向となって相殺され、ループ電流は流れない。

このように、本実施形態の平面コイル２４は、巻回途中において並列接続の線同士（２５、２６）の内外周位置の並びが入れ替えられるので、ループ電流の発生が防止されてコイル損失が抑制され、非接触電力伝送に用いた場合、電力伝送の効率が向上する。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る平面コイル３０の構成を示す。この平面コイル３０は、第２の実施形態と同様の構成に加え、導電線３１、３２の並びの入れ替えが、１ターンにつき２回以上偶数回なされている。導電線３１、３２の端部は、それぞれ電気的に接続される（図示略：以下同様）。平面コイル３０は、複数本の導電線３１、３２を複数ターン渦巻き状に巻回され、並列接続の線同士の内外周位置の並びが、偶数の入れ替え部３３、３４において入れ替えられている。偶数の入れ替え部３３、３４は、平面コイル３０の中心に対して略対称の位置に配置することが好ましい。

複数ターンの平面コイルは、渦巻き状の形状によるコイル径の変化のため、１ターンにつき１度の導電線の並びの入れ替えでは、ループ電流を精度良く相殺することが難しい。本実施形態の平面コイル３０は、導電線３１、３２の並びの入れ替えが１ターンにつき偶数回なされるので、コイル径の変化の影響が軽減されてループ電流が精度良く相殺され、コイル損失が低減される。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る平面コイル４０の構成を示す。この平面コイル４０は、第２の実施形態と同様の構成に加え、複数本の導電線４１〜４４の入れ替え位置４５、４６が互いにずれるように配置される。例えば、４本の導電線１１のうち、２本の導電線４１、４４を、入れ替え位置４５（図８のコイル上方位置）にて入れ替え、残り２本の導電線４２、４３を、入れ替え位置４６（図８のコイル下方位置）にて入れ替える。

多数の並列接続された導電線を巻回して形成される平面コイルは、全部の導電線の並びの入れ替えを１箇所で行うと、その部分で厚みが大きくなる。本実施形態の平面コイル４０は、入れ替え位置４５、４６が適宜互いにずれるように配置されるので、１箇所に入れ替え位置が集中せず、入れ替えによる厚みの増加が最小限に抑えられる。

（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係る平面コイルに用いられる導電線５１〜５４の構成を示し、図１０は、その導電線５１〜５４を接続した本実施形態の平面コイル５０を示す。この平面コイル５０は、第２の実施形態と同様の構成に加え、所要ターン数を偶数で割ったターン数、同偶数倍本の導電線を巻回すると共に、内外周の位置の並びが異なる導電線をコイル引出し部で並びを入れ替えて直列接続して所要ターン数にしている。

図９に示すように、例えば、平面コイル５０の所要ターン数を６ターンとし、並列接続される導電線数を２本とする。ここで、偶数として２を選択し、並列接続される導電線数２本の２倍の４本の導電線５１、５２、５３、５４を、所要ターン数６を２で割った３ターン巻回する。平面コイル５０のコイル引出し部には、一方に導電線の端部５１ａ、５２ａ、５３ａ、５４ａがあり、他方に導電線の端部５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ、５４ｂがある。次に、図１０に示すように、導電線５１、５２と導電線５３、５４の端部を、５２ｂ−５３ａ、５１ｂ−５４ａと内外位置の並びを入れ替えて直列接続し、コイルを構成する。その結果、直列接続であるので、ターン数は加算されて３＋３＝６ターンとなり、並列接続される導電線数は２本となる。この直列接続の部分が入れ替え部５５である。平面コイル５０は、このような並びを入れ替えた接続により、ループ電流による電流の方向が導電線５１、５４、と導電線５２、５３の間で反対となるため、電流が相殺されループ電流が流れない。

図１１は、平面コイル５０の等価回路を示す。一方の端部５１ａと５２ａが電気的に接続され、他方の端部５３ｂ及び５４ｂが電気的に接続され、両端部間がコイルとなっている。

このように、本実施形態の平面コイル５０は、コイル引出し部で導電線の並びを入れ替えるので、コイル巻回内で導電線の並びを入れ替える必要がなく、コイル巻きが簡単であり、薄型の平面コイルを容易に構成できる。

（第６の実施形態）
図１２（ａ）（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る平面コイル６０の構成を示す。この平面コイル６０は、第２の実施形態と同様の構成に加え、同等構成のコイル６１、６２を偶数個重ね、内外周の位置の並びが異なる導電線６１１、６１２、導電線６２１、６２２を、コイル６１、６２間で並びを入れ替えて直列接続している。

図１２（ａ）（ｂ）において、コイル６１は、導電線６１１が外周位置、導電線６１２が内周位置に巻回されている。コイル６２は、導電線６２１が外周位置、導電線６２２が内周位置に巻回されている。導電線６１１、６１２の一方の端部６１１ａ、６１２ａが平面コイル６０から引き出される引出し端部、他方の端部６１１ｂ、６１２ｂがコイル６２との接続端部である。導電線６２１、６２２の一方の端部６２１ａ、６２２ａがコイル６２との接続端部、他方の端部６２１ｂ、６２２ｂが引出し端部である。外周位置の導電線６１１の接続端部６１１ｂと内周位置の導電線６２２の接続端部６２２ａとを入れ替え部６３で直列接続し、内周位置の導電線６１２の接続端部６１２ｂと外周位置の導電線６２１の接続端部６２１ａとを入れ替え部６３で直列接続する。

図１３は、平面コイル６０の等価回路を示す。一方の引出し端部同士６１１ａ、６１２ａが並列接続され、他方の引出し端部同士６２１ｂ、６２２ｂが並列接続され、接続端部６１１ｂ、６１２ｂ、６２１ａ、６２２ａが前述のように直列接続される。

このように、本実施形態の平面コイル６０は、内外周の位置の並びが異なる導電線６１１及び６１２と、６２１及び６２２とをコイル６１、６２間で並びを入れ替えて直列接続するので、ループ電流が相殺される。また、コイル６１、６２間で導電線の並びを入れ替えるので、コイル巻回内で導電線の並びを入れ替える必要がなく、コイル巻きが簡単である。

本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、各実施形態における導電線の本数とコイルのターン数は、図面に示した本数とターン数に限られるものではない。また、導電線は、銅以外を導電性材料としてもよく、例えば、アルミ線、アルミ箔パターン等であってもよい。

また、上記の実施形態において、導電線を単銅線とし、単銅線を複数本並列に巻回したものでもよいし、導電線をリッツ線とし、リッツ線を複数本並列に巻回したものでもよく、同様の効果を奏する。導電線には、平面コイルが用いられる商品形態からくるコイル厚等の制約から適宜、単銅線又はリッツ線が選択される。

また、導電線を銅箔パターンとしてもよい。図１４は、導電線を銅箔パターンとした平面コイル７０の構成を示す。この平面コイル７０は、導電線が銅箔パターンの配線７１として形成されている。各配線７１のパターン幅を細くし、複数本の配線７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ、７１Ｄを基板７２上に形成し、配線７１の並びの入れ替え、引出し部での接続の際の入れ替え等を行う。複数本の配線７１が並列接続されるので、各配線のパターン幅を細くでき、渦電流が減少する。並びの入れ替えは、コイル内でのスルーホール、又は、引出し部でのスルーホール７３等によって行われる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る平面コイルの平面図、（ｂ）は同平面コイルの側面図。 同平面コイルの等価回路図。 非接触電力伝送における同平面コイルの配置を示す側面図。 （ａ）は同平面コイルに鎖交する磁束を示す平面図、（ｂ）は同磁束を示す側面図。 同平面コイルの等価回路図。 本発明の第２の実施形態に係る平面コイルの平面図。 本発明の第３の実施形態に係る平面コイルの平面図。 本発明の第４の実施形態に係る平面コイルの平面図。 本発明の第５の実施形態に係る平面コイルの導電線の構成を示す平面図。 同平面コイルの導電線の接続を示す平面図。 同平面コイルの等価回路図。 （ａ）は本発明の第６の実施形態に係る平面コイルの平面図、（ｂ）は同平面コイルの側面図。 同平面コイルの等価回路図。 導電線に銅箔パターンを用いた本発明の平面コイルの平面図。 従来の非接触電力伝送装置の構成図。 （ａ）は同装置の平面コイルの平面図、（ｂ）は同平面コイルの側面図。 コイルの実効抵抗の一般的な周波数特性図。 リッツ線の断面図。 リッツ線を用いた従来の平面コイルの平面図。 プリント配線板を用いた従来の平面コイルの平面図。 図２０のＸ部の拡大図。

符号の説明

１０、２４、３０、４０、５０、６０、７０ 平面コイル
１１（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）、２５、２６、３１、３２、４１〜４４、５１〜５４、６１１、６１２ 導電線
１２ａ、１２ｂ、２０、２１、２８、２９ コイル引出し部
１３ａ、１３ｂ 端部
２７、３３、３４、４５、４６、５５、６３ 入れ替え部（入れ替え位置）

Claims (9)

1. 互いに並行な複数本の導電線が、略平面状に並べて渦巻き状に巻回され、各導電線の端部同士がコイル引出し部で電気的に接続されることにより並列接続されていることを特徴とする平面コイル。
2. 前記導電線は、巻回途中において並列接続の線同士の内外周位置の並びが入れ替えられていることを特徴とする請求項１に記載の平面コイル。
3. 前記導電線の並びの入れ替えが、１ターンにつき偶数回なされていることを特徴とする請求項２に記載の平面コイル。
4. 前記複数本の入れ替え位置が互いにずれるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の平面コイル。
5. 所要ターン数を偶数で割ったターン数、同偶数倍本の導電線を巻回すると共に、内外周の位置の並びが異なる前記導電線をコイル引出し部で並びを入れ替えて直列接続して所要ターン数にしたことを特徴とする請求項２に記載の平面コイル。
6. 同等構成のコイルを偶数個重ね、内外周の位置の並びが異なる前記導電線をコイル間で並びを入れ替えて直列接続したことを特徴とする請求項２に記載の平面コイル。
7. 前記導電線は、銅線であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の平面コイル。
8. 前記導電線は、銅箔パターンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の平面コイル。
9. 前記銅線は、リッツ線であることを特徴とする請求項７に記載の平面コイル。