JP2010098188A - 非接触伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な手段で、渦電流損を抑えると共に、伝送効率を大きく向上させる。
【解決手段】貫通孔１２は、１次側コア１０の対向面側の第１開口部２１と１次側コア１０と対向しない面側の第２開口部２２を備え、貫通孔１２は、前記凸部に設けられ、貫通孔１２の幅ｈもしくは面積Ｓを、２次側コア２０の第２開口部２２の幅ｈ'、もしくは面積Ｓ'と比較し、ｈ'＞ｈ＞ｈ'／２、Ｓ'＞Ｓ＞Ｓ'／４の式のいずれか一つを満たすように構成され、２次側コア２０に誘導起電力を誘起させると共に、第２コイル２３に充電電力または情報を電子機器に伝送する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器に対して非接触で充電電力または情報を伝送する非接触伝送装置に関するものである。

近年、電磁誘導などの非接触による方法で、電子機器に対して充電電力または情報を伝送する非接触伝送装置が開示されている。たとえば、図６に示すように、電子機器３０には電源として２次電池２４等の充電式電池が搭載されているものがあり、充電装置（非接触伝送装置）から該電子機器の２次電池等への充電方法としては、電磁誘導などの非接触による方法が一般的となってきている。このような充電装置において、１次側コア１０（充電装置のコア）に設けられた周壁部の２次側コア２０（電子機器のコア）に対向する面を内周に拡張して拡幅部１３を形成したものがあり、また、電子時計において、２次側コア２０には第１開口部２１および第２開口部２２を有する貫通孔が備えられたものが存在し、前記１次側コア１０と２次側コア２０間で磁束をループさせて、非接触エネルギーを伝送する技術が開示されている。

非接触によるエネルギー伝送技術が幅広く応用されてきたのは、エネルギーとなる電力が水などの液体と比較して気密性の確保が容易であるという利点を有しているからである。すなわち、非接触によるエネルギー伝送では、接触型のエネルギー伝送とは異なり接続部を露出する必要がないため、より気密性を確保することが可能となり、電子機器である電子時計や携帯電話に対して幅広く使用されている。

ところで、図６の構成では、第１コイル１１から誘起された磁束が１次側コア１０の中央凸部の全面を介して２次側コア２０⇒拡幅部１３と磁束をループすることによって第２コイル２３に電力が伝送されるが、その際に、誘起された磁束は同図６で示す裏蓋２５部分を通過する。裏蓋２５は通常、チタンやステンレス等の金属で構成されることが、触感や外観、重さが良好という理由から一般的である。

また、電子機器に対して非接触で充電電力または情報を伝送する非接触伝送装置およびコアがある（たとえば、特許文献１参照）。この技術は、中央付近に凸部を有し、前記凸部の底部から延在し前記凸部の周面を内包する周壁部が設けられたコアと、前記凸部に巻装された第１コイルとを備え、前記コアは、前記周壁部の上側端部から前記凸部の上面近傍であって、前記凸部の上面より高い位置に設置された拡幅部を含み、前記第１コイルは、前記コアとともに磁束を発生させることにより、前記拡幅部の内縁部に囲まれた内部にあって、かつ前記凸部から所定距離にある前記電子機器の第２コイルに誘導起電力を発生させて前記充電電力または情報を前記電子機器に伝送することで、非接触伝送装置におけるコア（１次側コア）のみで磁束を閉ループになるのを防ぎ、電子機器への非接触による充電電力または情報の伝送量を向上させるものである。

特願２００７−２９２８０８号

しかしながら、金属の導電率は非常に高く、チタンなら約２．３８Ｅ＋０６[１／Ω・ｍ]であり、ステンレスなら１．２８＋０６[１／Ω・ｍ]である。磁束を、このような導電率の高い材質に通過させた場合、渦電流損が発生する。渦電流損は、充電時における発熱と直接関係してくる課題であり、渦電流損が大きければ大きいほど、発熱も大きくなる。図６に示す従来の構成では、１次側コアや２次側コアの形状に工夫が成されており、その工夫によって渦電流損を小さくしようと試みているが、それでも渦電流損の占める割合は、発生する損失の中でも特に大きく、渦電流損をさらに少なく、伝送効率をさらに向上させたいという課題があった。また、特許文献１の非接触伝送装置およびコアにあっては、損失の多くが渦電流損となることが考えられる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な手段で、渦電流損を抑えると共に、伝送効率を大きく向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、中央付近に凸部を有し、前記凸部の底部から延在し前記凸部の周面を内包する周壁部に設けられた第１のコアと、前記凸部に巻装された第１コイルとを備え、前記第１のコアは、前記周壁部の上側端部から前記凸部の上面近傍であって、前記凸部の上面より高い位置に設置された拡幅部を含み、前記第１コイルは、前記第１のコアとともに磁束を発生させることにより、前記拡幅部の内縁部に囲まれた内部にあり、かつ第２コイルが巻きつけられ、自身に貫通孔を有し、前記貫通孔は、前記第１のコアの対向面側の第１開口部と前記第１のコアと対向しない面側の第２開口部を備え、前記貫通孔は、前記凸部に設けられ、該貫通孔の幅ｈもしくは面積Ｓを、前記２次側コアの第２開口部の幅ｈ'、もしくは面積Ｓ'と比較して下記式のいずれか一つを満たすように構成され、
ｈ'＞ｈ＞ｈ'／２ （式１）
Ｓ'＞Ｓ＞Ｓ'／４ （式２）
前記第２のコアに誘導起電力を誘起させると共に、前記第２コイルに充電電力または情報を電子機器に伝送することを特徴とする。

また、請求項２にかかる発明は、請求項１の記載において、前記第１のコアの凸部において、前記凸部の幅は、前記第１開口部の幅と略同一長さ、ないしはそれ以下であることを特徴とする。

また、請求項３にかかる発明は、請求項１の記載において、前記第２開口部の幅は、前記凸部の幅の２倍より小さいことを特徴とする。

本発明にかかる非接触伝送装置は、貫通孔を、第１のコアの中央凸部に設け、貫通孔の幅ｈもしくは面積Ｓを、２次側コア２０の第２開口部２２の幅ｈ'、もしくは面積Ｓ'と比較して下記式のいずれか一つを満たすように構成し、
ｈ'＞ｈ＞ｈ'／２ （式１）
Ｓ'＞Ｓ＞Ｓ'／４ （式２）
第２のコアに誘導起電力を誘起させると共に、第２コイルに充電電力または情報を電子機器に伝送する、ようにしたので、簡易な手段で大きく渦電流損を抑えることが可能で、渦電流損を抑えると共に、伝送効率を大きく向上させることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる非接触伝送装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、この実施の形態にかかる非接触伝送装置の構成を示す説明図である。この図１において、符号１０は１次側コア、符号１１は第１コイル、符号１２は貫通孔、符号１３は拡幅部、符号２０は２次側コア、符号２１は第１開口部、符号２２は第２開口部、符号２３は第２コイル、符号２４は２次電池、符号２５はチタンやステンレスなどの金属のなる裏蓋、符号３０は電子機器である。

この図１に示すように、特に、１次側コア１０の中央凸部は貫通孔１２を有している。このように１次側コア１０を構成すると、裏蓋２５に発生する渦電流損が少なくなることが後述するように確認された。

これらの磁気解析シミュレーションの結果について図２−１、図２−２に示す。図２−１は図に示す従来の非接触伝送装置の構成のように貫通孔１２が無い場合を示し、図２−２は本発明の非接触伝送装置の構成のように貫通孔１２が有る場合の磁気解析シミュレーションの結果を示す。

図２−１、図２−２において、図中の線は、磁束の等高線を示しており、該等高線が集中している箇所が、磁束密度の高いところである。また、図２−１、図２−２に関して、本実施の形態における解析シミュレーションでは、１次側コア１０の凸部以外は、材質条件や、形状は全て同じ条件としている。なお、本実施の形態における解析モデルは、左右対称であるため、解析結果は右側半分のみを表示した。

つぎに、１次側コア１０に、貫通孔１２が無い場合（図２−１）と、貫通孔１２が有る場合（図２−２）において、裏蓋２５付近の拡大図を、図３−１、図３−２に示す。図３−１で、１次側コア１０に貫通孔１２が無い場合を見ると、１次側コア１０の中央凸部のほぼ全面から磁束が発生しており、裏蓋２５の断面を、大きな面積で磁束が通過し、２次側コア２０に向かっていることがうかがえる。それに対して、図３−２で１次側コア１０に貫通孔１２が有る場合をみると、中央凸部から発生した磁束は、ほとんど垂直に裏蓋２５の断面を通過しているため、図３−１と図３−２を比較した場合、１次側コア１０に貫通孔１２がある場合（図３−２）の方が、１次側コア１０に貫通孔１２が無い場合（図３−１）と比べて裏蓋２５を通過する磁束の面積が小さいことがわかる。

通常、渦電流損Ｐｅは、Ｐｅ＝Ｋ×（ｔ×ｆ×Ｂ）²／ρ、(Ｋ：比例定数、t：厚さ、ｆ：周波数、Ｂ: 磁束密度、ρ：ρ 抵抗率) であるので、裏蓋２５を通過する磁束の面積に渦電流損は依存せず、図３−１と図３−２で同等の渦電流損が得られるはずであるが、解析結果では、図３−１および図３−２で比較すると、裏蓋２５に発生する渦電流損に２．０[％]ほどの差が見られ、図３−２の方が損失が少ない結果となった。これは、磁束と渦電流損の交互作用によって複雑に引き起こされる交互渦電流損が、本来の損失(渦電流損)＋αとして影響していると考えられ、解析シミュレーションを幾度となく繰り返していった結果、前記交互渦電流損は、裏蓋２５を通過する磁束の面積に関係していることがわかり、裏蓋２５を通過する磁束の面積を小さくした場合に、前記交互渦電流損の少ない、良好な結果が得られることがわかった。

より具体的には、前記貫通孔１２の幅ｈ、もしくは面積Ｓを、２次側コア２０の第２開口部２２の幅ｈ’、もしくは面積Ｓ’より小さく構成し、かつ、第２開口部２２の幅ｈ’の半分より大きく構成することが、単に貫通孔１２を備えた構成より大きな効果を奏することがわかった。すなわち、この実施の形態では、１次側コア１０の中央凸部に貫通孔１２を上述した条件で備えることで、裏蓋２５を通過する磁束の面積を小さくし、前記交互渦電流損を小さくすることで、伝送効率を高めることが可能である。

したがって、以上説明した第１の実施の形態によれば、中央付近に凸部を有し、前記凸部の底部から延在し前記凸部の周面を内包する周壁部に設けられた１次側コア１０と、前記凸部に巻装された第１コイル１１とを備え、１次側コア１０は、前記周壁部の上側端部から前記凸部の上面近傍であって、前記凸部の上面より高い位置に設置された拡幅部１３を含み、第１コイル１１は、１次側コア１０とともに磁束を発生させることにより、拡幅部１３の内縁部に囲まれた内部にあり、かつ第２コイル２３が巻きつけられ、自身に貫通孔１２を有し、貫通孔１２は、１次側コア１０の対向面側の第１開口部２１と１次側コア１０と対向しない面側の第２開口部２２を備え，貫通孔１２は、前記凸部に設けられ、貫通孔１２の幅ｈもしくは面積Ｓを、２次側コア２０の第２開口部２２の幅ｈ'、もしくは面積Ｓ'と比較して下記式のいずれか一つを満たすように構成され、
ｈ'＞ｈ＞ｈ'／２ （式１）
Ｓ'＞Ｓ＞Ｓ'／４ （式２）
２次側コア２０に誘導起電力を誘起させると共に、第２コイル２３に充電電力または情報を電子機器に伝送する、ようにしたので、簡易な手段で大きく渦電流損を抑えることが可能で、渦電流損を抑えると共に、伝送効率を大きく向上させることができる。

（第２の実施の形態）
つぎに、図１のように構成される非接触伝送装置における上記第１の実施の形態とは異なる例について説明する。この第２の実施の形態における非接触伝送装置は、１次側コア１０の中央凸部の幅は、第１開口部２１の幅と略同一長さで、かつ、２次側コア２０の第２開口部２２の幅は前記凸部の幅の２倍より小さく構成してある。このような構成とすることで、渦電流損を安定して抑えることができる。以下、具体的に説明する。

図４−１．図４−２は、この第２の実施の形態にかかる非接触伝送装置における解析シミュレーションの解析モデルを示す説明図である。

ここで、上述した第１の実施の形態では１次側コア１０の中央凸部に貫通孔１２を備えることで、裏蓋２５を通過する磁束の面積を小さくし、交互渦電流損を減らすことが可能であった。ところが、何度にも渡って解析シミュレーションを行ったところ、以下のことがわかった。

１次側コア１０の中央凸部より誘起された磁束が２次側コア２０に向かう際、２次側コア２０の断面積が大きければ大きいほど、磁束の、前記２次側コア２０の断面に通過する面積が大きくなるため、その結果、裏蓋２５を通過する磁束の面積が大きくなってしまう。このことを、図５−１．図５−２(解析シミュレーション結果)を用いて説明する。図５−１．図５−２は、この第２の実施の形態で用いた解析モデルであり、この結果、図５−１．図５−２では、以下の事象が起きていることがわかった。

２次側コア２０の断面が大きいため、中央凸部から誘起された磁束が前記断面に向かおうとしたときに、(図５−１．図５−２では)磁束が右側に広がりながら、２次側コア２０の断面に向かっている。

２次側コア２０と中央凸部の間には裏蓋２５があるため、前記中央凸部から誘起された磁束が右側に広がりながら２次側コア２０に向かう場合、裏蓋２５を通過する磁束の面積も大きくなる。すなわち、磁束の、裏蓋２５を通過する面積を小さくしようとした場合には、１次側コア１０と２次側コア２０の配置が非常に重要で、前記配置によっては交互渦電流損が大きく発生してしまうことになる。

ところで、第１の実施の形態で用いた図２−２と、第２の実施の形態で磁束の等高線が異なるのは、以下の理由による。通常、第２コイル２３の起電力となるεは、ε＝−ｄψ（Ｂ）／ｄｔと示すことができ、第１コイル１１に印加する電流や電圧は交流とされている。すなわち、時間によって入力側が変化するため、それによって磁束の発生の仕方が変化するからである。

発明者は、このような現象が起こることを踏まえて、解析シミュレーションによる研究を日々行ってきた結果、前記交流のＮ周期(Ｎ：１，２，３〜)において、最も安定し、かつ、最も効果的に非接触エネルギーを伝送できる構成を発明した。その構成は、以下の通りである。

１次側コア１０の中央凸部の幅を、前記第１開口部２１の幅と略同一長さで、かつ、２次側コア２０の第２開口部２２の幅は前記凸部の幅の２倍より小さく構成する。このようにモデルを構成した場合の解析シミュレーションによる結果は図４−１、図４−２に示される。この図４−１、図４−２によると１次側コア１０の中央凸部より誘起された磁束は、中央凸部の角（右上）から２次側コア２０の底面の角(左下)を結ぶ直線を中心に、効果的に磁束が向かっていることがうかがえる。

このとき、第２開口部２２の幅は、中央凸部の幅の２倍より小さい方がよく、かつ、第１開口部２１より大きいことが望ましい。仮に、第２開口部２２の幅を、中央凸部の幅の２倍から大きくしていくと、裏蓋２５に発生する損失が徐々に大きくなり、伝送効率が低下していくことがわかった。また、これまでは中央凸部の直ぐ上に２次側コア２０の底面を伸ばしていたが、入力側（交流）が変化していく中で、より安定し、効果的に電力伝送ができる構成として、１次側コア１０の中央凸部の幅を、前記第１開口部２１の幅と略同一長さ、もしくはそれ以下の長さで構成することが好ましいことがわかった。

したがって、以上説明した第２の実施の形態によれば、１次側コア１０の凸部において、前記凸部の幅は、前記第１開口部２１の幅と略同一長さ、ないしはそれ以下とすることにより、入力側が交流で、時間によって入力が変化している場合でも、安定して裏蓋を通過する磁束の面積を小さくし、渦電流損を抑えることができ、伝送効率を高めることが可能である。

また、第２開口部２２の幅を、前記凸部の幅の２倍より小さくすることにより、中央凸部の角（右上）から２次側コア２０底面の角(左下)を結ぶ直線を中心に、効果的に磁束を２次側コアに向かわせることができる。また、交互渦電流損を大きく抑えることが可能であり、伝送効率が向上する。

以上のように、本発明にかかる非接触伝送装置は、非接触伝送装置を電子機器に充電電力を送電する充電装置、充電電力または情報（たとえば、現在の時刻を示す時刻情報、アラーム情報など）を伝送する電子機器に有用であり、特に、渦電流損を抑え、伝送効率を高める非接触伝送装置に適している。

この実施の形態にかかる非接触伝送装置の構成を示す説明図である。 １次側コイルに貫通孔が無い場合における磁気解析シミュレーションの結果を示す図である。 １次側コイルに貫通孔がある場合における磁気解析シミュレーションの結果を示す図である。 １次側コイルに貫通孔が無い場合における磁気解析シミュレーションの結果を示す拡大図である。 １次側コイルに貫通孔がある場合における磁気解析シミュレーションの結果を示す拡大図である。 第２の実施の形態にかかる１次側コイルに貫通孔がある場合における磁気解析シミュレーションの結果を示す図である。 図４−１における１次側コア付近の磁気解析シミュレーションの結果を示す拡大図である。 第２の実施の形態にかかる１次側コイルに貫通孔がある場合における磁気解析シミュレーションの結果を示す図である。 図５−１における１次側コア付近の磁気解析シミュレーションの結果を示す拡大図である。 従来における非接触伝送装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０ １次側コア
１１ 第１コイル
１２ 貫通孔
１３ 拡幅部
２０ ２次側コア
２１ 第１開口部
２２ 第２開口部
２３ 第２コイル
２４ ２次電池
２５ 裏蓋
３０ 電子機器

Claims (3)

1. 中央付近に凸部を有し、前記凸部の底部から延在し前記凸部の周面を内包する周壁部に設けられた第１のコアと、前記凸部に巻装された第１コイルとを備え、
   前記第１のコアは、前記周壁部の上側端部から前記凸部の上面近傍であって、前記凸部の上面より高い位置に設置された拡幅部を含み、前記第１コイルは、前記第１のコアとともに磁束を発生させることにより、前記拡幅部の内縁部に囲まれた内部にあり、かつ第２コイルが巻きつけられ、自身に貫通孔を有し、前記貫通孔は、前記第１のコアの対向面側の第１開口部と前記第１のコアと対向しない面側の第２開口部を備え、
   前記貫通孔は、前記凸部に設けられ、該貫通孔の幅ｈもしくは面積Ｓを、前記２次側コアの第２開口部の幅ｈ'、もしくは面積Ｓ'と比較して下記式のいずれか一つを満たすように構成され、
   ｈ'＞ｈ＞ｈ'／２ （式１）
   Ｓ'＞Ｓ＞Ｓ'／４ （式２）
   前記第２のコアに誘導起電力を誘起させると共に、前記第２コイルに充電電力または情報を電子機器に伝送することを特徴とする非接触伝送装置。
2. 前記第１のコアの凸部において、前記凸部の幅は、前記第１開口部の幅と略同一長さ、ないしはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の非接触伝送装置。
3. 前記第２開口部の幅は、前記凸部の幅の２倍より小さいことを特徴とする請求項１に記載の非接触伝送装置。

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