JP2010219330A

JP2010219330A - 非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル、非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法

Info

Publication number: JP2010219330A
Application number: JP2009064829A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Inoue; 靖之井上
Original assignee: Ricoh Elemex Corp
Current assignee: Ricoh Elemex Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】金属筐体の電子機器に対しても効果的にエネルギーを伝送する手段を提供する。
【解決手段】１次側コイル１０１を巻装した１次側コア１０２と、２次側コイル２０６を巻装した２次側コア２０５とを同心軸上に非接触で対向配置し、１次側コイル１０１に誘起された磁束を１次側コア１０２中央凸部から２次側コア２０５を介して伝送する２次側コイル２０６にエネルギーを誘起させる１次側コイル１０１と２次側コイル２０６であって、１次側コイル１０１を、２次側コイル２０６の巻数の８．５〜１０倍とし、さらに２次側コイル２０６と対向する面の面積を前記２次側コイルの２〜２．５倍の範囲で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル、非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法に関するものである。

従来、非接触エネルギー伝送装置がたとえば特許文献１に開示されている。図１７に示すように、１次側コアの凸部より非接触エネルギー（磁束）を送出し、１次側コイル１１が巻装された１次側コア１０に対向するよう配置された２次側コア２０がその磁束を吸収すると共に、その凸部に巻きつけられた２次側コイル２１に磁束を鎖交させることで、２次側コイル２１に電力を伝送するシステムが知られている。一般的に、コアには透磁率の高いものが使用されており、図１７のように構成することで、良好な効率で電力を伝送することが可能である。この技術が広く使われてきた理由の一つに気密性の確保が容易になるということが挙げられる。すなわち、この技術を用いれば非接触によってエネルギーを送波できるため、充電の際、その充電部を露出させる必要がなくなる。このような理由から、周りに水が付着するような機器、たとえば、電子時計や、シェーバー、歯ブラシ等の充電には、よく知られた充電方式である。

ところで、電子時計にはその筐体がプラスチックで構成されているものや、チタンや、ステンレス等の金属で構成されているものがある。それぞれの材質には特有のメリットがあり、たとえばプラスチックの場合は、時計が軽量化できるメリットがある。また、金属によって構成されている場合、肌のアレルギーに対して適合性が高く、外観が良い等のメリットがある。ところで、プラスチックによって構成されている場合、その導電率はほぼ０なので、磁束に対してなんら影響をもたらすものではないが、チタンやステンレス等の金属で構成されている場合、磁束が通過することによって渦電流損が発生する。渦電流損とは、導電率があるものに磁束が通過したときに起こる損失のことで、この損失は通常、熱になる。図１７では、電子時計の筐体をプラスチックとした場合で、磁束の流れに影響が出ることはない。

特許第３１８５６３４号公報

しかしながら、従来の非接触エネルギー伝送装置にあっては、筐体を金属で構成した場合、図１８に示すように磁束が金属によって妨げられ、２次側コイル２０にエネルギーが効果的に伝送することができなくなる。また、金属内に発生する渦電流損によって発熱の問題が浮上する。このため、従来の非接触充電式の電子時計の筐体はプラスチックで構成されていることが多く、金属を筐体としたものは、数が少なかった。筐体を金属で構成した場合、効果的にエネルギーが伝送できないことから、充電時間が極端に長くなる。また、投入エネルギーを無理に大きくし、急速に充電する方法も考えられるが、その場合、熱が急上昇してしまうため、いずれにしても、時間を掛けて（熱が上昇しないように）充電するしか方法が残されていなかった。充電時間が延びてしまうことは、ユーザーにとって利便性が損なわれるため、都合が悪かった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属を筐体とした電子機器に対しても、効果的にエネルギーを伝送する手段を提供す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、本発明は、１次側コイルを中央凸部に巻装した１次側コアと、２次側コイルを中央凸部に巻装した２次側コアとを同心軸上に対向するよう非接触に配置し、前記１次側コイルに誘起された磁束を前記１次側コアの中央凸部から前記２次側コアを介して伝送し、前記２次側コイルにエネルギーを誘起させる非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイルであって、前記２次側コイルは、巻数を１４４〜１７２[ターン]、コイル線径φ０．２１〜０．２３[ｍｍ]、巻高さ１．１〜１．３[ｍｍ]の範囲で構成し、かつ、前記１次側コイルは、コイル線径をφ０．３３〜０．３６[ｍｍ]、巻数を前記２次側コイルの９．３〜９．９倍とし、さらに前記２次側コイルと対向する面の面積を前記２次側コイルの２〜２．１倍の範囲で構成したことを特徴とする。

本発明は、１次側コイルの巻数を２次側コイルの８．５〜１０倍とし、さらに２次側コイルと対向する面の面積を２次側コイルの２〜２．５倍の範囲で構成することで、良好な伝送効率で、受電側筐体に非接触エネルギーを伝送することができるという効果を奏する。

図１は、この実施の形態にかかる解析シミュレーションで取り扱った非接触エネルギー伝送装置のモデル構成を示す説明図である。図２は、この実施の形態にかかる直交表、ＳＮ比解析のイメージ例を示す説明図である。図３は、この実施の形態にかかる解析例を示す要因効果図である。図４は、この実施の形態にかかる２次コイル内径の解析結果を示すグラフである。図５は、この実施の形態にかかる２次コイル線径の解析結果を示すグラフである。図６は、この実施の形態にかかる２次凝縮巻き係数の解析結果を示すグラフである。図７は、この実施の形態にかかる２次巻係数の解析結果を示すグラフである。図８は、この実施の形態にかかる２次巻き高さの解析結果を示すグラフである。図９は、コイル線の巻き方（ストレート重ね巻き）の状態を示す説明図である。図１０は、コイル線の巻き方（ずらし重ね巻き）の状態を示す説明図である。図１１は、この実施の形態にかかる時計サイズと伝送効率との関係（１）を示すグラフである。図１２は、この実施の形態にかかる時計サイズと伝送効率との関係（２）を示すグラフである。図１３は、この実施の形態にかかる１次コイル線径の解析結果を示すグラフである。図１４は、この実施の形態にかかるコイルの断面積比の解析結果を示すグラフである。図１５は、この実施の形態にかかるコイルの巻数比の解析結果を示すグラフである。図１６は、１次側コイルと２次側コイルの面積の大きさを示す斜視図である。図１７は、従来において電子時計を樹脂筐体とした場合の１次側コアと２次側コアにおける磁束の流れを示す説明図である。図１８は、従来において電子時計を金属筐体とした場合の１次側コアと２次側コアにおける磁束の流れを示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル、非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法の実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明の内容を要約して述べると以下に列記する通りである。第１に、本発明者は、前述した課題を解決するために非接触エネルギー伝送システムの伝送効率に着目し、解析シミュレーションを行うことによって伝送効率を向上させることを考えた。特に、シミュレーションを行うにあたっては、当該非接触エネルギー伝送システムの主要部品とも呼べるコイルや、コアに対し因子解析を行う事で、それぞれの条件と利得（伝送効率）の関係を明らかにすると共に、ある任意の受電側筐体のサイズ（受電側筐体サイズが決まるとコイルの大きさが必然的に決まる）において、その限定されたコイルの大きさの中で利得が最大に得られる条件を見出した。その結果、受電側筐体にコイルを内蔵する場合、１次側コイルの巻数を２次側コイルの巻数の８．５〜１０倍とし、さらに２次側コイルと対向する面の面積を２次側コイルの２〜２．５倍の範囲で構成することで、伝送効率を良好に確保できる。

その結果、受電側筐体にコイルを内蔵する場合、その２次側コイルにおいては、その巻数を１４４〜１７２[ターン]、コイル線径φ０．２１〜０．２３[ｍｍ]、巻高さ１．１〜１．３[ｍｍ]の範囲で構成し、かつ、１次側コイルのコイル線径をφ０．３３〜０．３６[ｍｍ]、巻数を２次側コイルの９．３〜９．９倍とし、さらに２次側コイルと対向する面の面積を２次側コイルの２〜２．１倍の範囲で構成することによって、２次側コイルを任意の受電側筐体サイズにフィットして構成することができ、また、その条件においてコイルを構成することで、当該時計サイズの範囲において、伝送効率を良好に確保することができる。

第２に、受電側筐体の大きさをφ３３[ｍｍ]以下とした場合、２次側コイル線径をφ０．２１〜φ０．２２[ｍｍ]、巻数１４０〜１５３[ターン]、巻高さ１．３〜１．２[ｍｍ]とすることで、２次側コイルをフィットして構成することができ、また、その条件においてコイルを構成することで、当該受電側筐体サイズの範囲において、伝送効率を良好に確保することができる。

第３に、受電側筐体の大きさをφ３５[ｍｍ]以上とした場合、２次側コイル線径をφ０．２２〜φ０．２３[ｍｍ]、巻数１６２〜１７２[ターン]、巻高さ１．１〜１．２[ｍｍ]とすることで、２次側コイルをフィットして構成することができ、また、その条件においてコイルを構成することで、当該受電側筐体サイズの範囲において、伝送効率を良好に確保することができる。

第４に、受電側筐体の大きさをφ３４[ｍｍ]とした場合、２次側コイル線径をφ０．２２[ｍｍ]、巻数１５３〜１６２[ターン]、巻高さ１．２[ｍｍ]とすることで、２次側コイルをフィットして構成することができ、また、その条件においてコイルを構成することで、当該受電側筐体サイズの範囲において、伝送効率を良好に確保することができる。

第５に、２次側コイルの構成因子から、水準と利得の関係と、その水準より求まる受電側筐体の直径方向の大きさの関係に基づきコイル諸条件を決定し、さらに、２次側コイルの水準と関連付けられた因子と、その因子の水準と利得の関係に基づき１次側コイルの条件を決定することで、ある任意の受電側筐体サイズにおいて、最適となるコイル条件を求めることができる。

第６に、上記第５の方法で、解析シミュレーションを、受電側筐体のサイズφ４０ｍｍ以下の範囲で行うことで、受電側筐体の大きさを時計の大きさとして考慮することが可能であり、当該時計サイズに対応したコイルの条件を求めることができる。

第７に、上記第５の方法で、解析シミュレーションを、受電側筐体のサイズφ２０ｍｍ以上の範囲で行うことで、受電側筐体の大きさを時計の大きさとして考慮することが可能であり、当該時計サイズに対応したコイルの条件を求めることができる。

第８に、任意の受電側筐体の直径方向の大きさに対し、利得が最大になるように水準を決定することで、利得を最大に得ることが可能となり、その結果、伝送効率を最良とすることができる。

第９に、受電側筐体を腕時計型電子時計とし、その想定されるサイズより、コイルの大きさを限定し、さらにその限定されたサイズでコイルを構成する際に、前記第５の方法によりコイル条件を決定することで、腕時計型電子時計における非接触エネルギーの伝送効率を向上することができる。以下、これらを実現する具体例について説明する。

一般的に、１次側コイルと２次側コイルの間に金属のような介在物が存在しなければ、２次側コイルに鎖交する非接触エネルギーは、コイルの諸条件(巻数、巻高さ、コイル線径、コイル内径、コイル外径、コイルの巻き方など)や投入エネルギー、コイル間の距離、コアの形状、コアの透磁率等の要因からある程度想定することは可能である。ところが、磁束の経路に金属のような介在物がある場合、磁束の流れが複雑になるのはもちろん、磁気的な抵抗値や、１次側と２次側の相互関係が変わってくるため、机上で計算することはほぼ不可能である。そのため、本発明の発明者は、磁気解析シミュレーション（有限要素法による解析）を用いて、上記要因をパラメータとして扱い、伝送効率が良くなるパラメータの条件を検討していった。以下に、その詳細について具体例で説明する。

（第１の実施の形態）
まず、解析シミュレーションで取り扱った非接触エネルギー伝送装置のモデル構成を図１に示す。図１において、充電器１００側は１次側コイル１０１、１次側コア１０２で構成されており、電子時計２００側としては、ムーブメント２０１、電池２０２、文字板２０３、ケース２０４、２次側コア２０５、２次側コイル２０６、金属製の裏蓋２０７で構成されている。また、電子時計２００および充電器１００は左右対称とみなし、解析モデルとしては片側半分のモデルで解析を行った。なお、解析シミュレーションの結果としてアウトプットされる数値は、図１に示す電子時計２００の、左側側面(図１の点線で示す部分)を中心軸として、円筒状に回転させたモデルとしての出力が、アウトプットされるように設定してある。解析シミュレーションの出力とは、投入電流、出力電流、出力電圧等があり、また、投入電力を設定することによって解析を行った。

続いて、解析シミュレーションのパラメータとなる因子については、以下のように設定した。たとえば、電池であれば、電池の直径や、その厚み、導電率などを設定した。また裏蓋であれば、その導電率や厚みを設定した。なお、裏蓋の直径は、２次側コイル形状や、２次側コアの形状、ケースの横方向の厚み等によって変わってくる。このように、他の部材の形状によって、その形状が左右される場合には、物理的な矛盾がおきないようにその形状を修正して解析を行った。コイル関係であれば、巻数、巻高さ、コイル線径、コイル内径、コイル外径、コイルの巻き方など、コイルを構成する上で最低限必要なパラメータを設定した。また、誤差因子として室温や、充電器と電子時計の距離、電子時計の汚れを設定した。設定した因子の全ては表１の通りで、このように、幾つにも渡る因子を設定した後で、各因子に対して水準を決定していった。

続いて、水準に関しては、以下のような設定を行った。たとえば２次側コイルに関しては、表２に示すような水準を決定した。コイル線径であれば、２次側コイルを構成するコイルの太さを０．２１ｍｍ、０．２２ｍｍ、０．２３ｍｍというように設定し、巻数であれば１５５ターン、１６３ターン、１７１ターンというように決定した。２側コイル以外の因子に対しても、表１に示すように３水準にて条件を決定した。もちろん変化すれば、２次側コイルや、ケース、２次側コアの形状が変化することから、電子時計の直径や、厚み等が変化する。このように因子と水準を決定したとき、もっとも伝送効率が高くなる構成はどのような条件かを求めたかったが、１つの因子に対し３水準としているため（誤差因子は２水準）、そのとき必要な、解析シミュレーションの回数は、３^(因子数のべき乗) ×２^(誤差因子数のべき乗)と計算できる。

これだけの解析を行うためには、多くの時間が掛かってしまうため、本解析は、直交表を用いて解析を行うこととした。なお、因子に対する直交表はＬ８１、誤差因子に対する直交表はＬ４を適応している。なお、条件の良し悪しを判断するにあたっては、伝送効率を評価項目とした。伝送効率は、以下の式によって求めた。

伝送効率η＝出力エネルギー／投入エネルギー×１００

また、伝送効率ηを望目特性として扱い、感度とＳＮ比の計算は下記の式を採用した。
ＳＴ＝Ｙ１²＋Ｙ２²＋Ｙ３²＋Ｙ４²
Ｓｍ（Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４）²
Ｓｅ＝ＳＴ−Ｓｍ
Ｖｅ＝Ｓｅ／３
感度＝１０＊ＬＯＧ（（Ｓｍ−Ｖｅ）／４／Ｖｅ）
ＳＮ比＝１０＊ＬＯＧ（（（Ｓｍ−Ｖｅ）／４））

この解析のイメージ図を図２に示す。本解析では、各因子に対してＬ８１直交表を設定しており、解析シミュレーションを８１パターンにて行う。誤差因子としてはＬ４直交表を採用しており、各因子の条件に対して、４つの誤差条件で解析する。この場合、因子の解析で８１パターン、誤差因子の解析で４パターンなので、一回の実験で８１×４回＝３２４回の実験回数となる。

各パターンで、Ｙ１〜Ｙ４（伝送効率）を求め、その値を基に、感度と、ＳＮ比を前述の式により求める。なお、この場合、感度とＳＮ比の意味は、感度は高ければ高いほど、伝送効率が高いことを意味しており、ＳＮ比は高ければ高いほど、誤差因子（外乱）に対して安定性があることを意味している。このように、感度とＳＮ比を求めた後、要因効果図を作ることでもっとも良い条件を検討していく。

図３は、要因効果図の一例で、コイルの水準としては表２の値を設定している。たとえばコイル線径であれば、左から０．２１ｍｍ、０．２２ｍｍ、０．２３ｍｍと設定しており、一番伝送効率がよくなる条件は、図３の点線で囲った部分（０．２３ｍｍ）となる。

また、その他の因子についても、点線で囲った部分が一番効率の良くなる条件として求めることができる。ところで、前述の例では、コイル線径は０．２３ｍｍが一番良い条件として求めることができたが、ここでの一番良い条件というのは、０．２１ｍｍ、０．２２ｍｍ、０．２３ｍｍと、設定した範囲内でのことなので、実際には、０．２４ｍｍ、０．２５ｍｍなどが、もっと良い可能性がある。このようなことが懸念されるため、本解析シミュレーションでは、一つの実験（３２４回の実験）で終わらせることなく、ある実験で一番良い条件を求めたあと、その条件を中心として何度か解析を反復した。

コイル線径を例にとって説明すると、０．２１ｍｍ、０．２２ｍｍ、０．２３ｍｍという範囲内では０．２３ｍｍがより良い場合、次回の解析は０．２２ｍｍ、０．２３ｍｍ、０．２４ｍｍというように、前の実験で一番よい条件が中心になるように水準をシフトし、実験を反復していった。このように実験を反復していくことで、ある局所的な条件での解でなく、広い範囲でそれぞれの因子の傾向を分析することができる。

このように解析を進めていった結果、２次側コイル２０６の因子に対し、図４〜図８で示す解析結果が得られた。まず、図４は２次側コイル２０６の内径で、図４をみるとほぼ感度としては一定で、内径の大きさに感度が左右されない結果となっている。感度は伝送効率と同じ意味であるので、２次側コイル２０６の内径は、ほとんど伝送効率に関係していないことが解った。

続いて、図５に示すコイル線径では、コイル線径が太ければ太いほど、感度が得られることが解った。すなわち、２次側コイル２０６につかうコイルの線径は、太い方が好ましい。

続いて、図６に示す２次凝縮巻き係数(巻き方)において、まず、この巻き係数を説明する。通常、コイルを構成する場合、そのコイルは図９に示すようにコイル線１１０を巻いて構成することが一般的である。ところが、図１０に示すように、コイル線１１０をややずらして巻くことで、同じ巻数とした場合、コイルそのものの形状を小さく構成することのできる巻き方が知られている。本解析の因子として設定している凝縮巻き係数は、このことを示しており、図９の巻き方で構成できるコイルの外径を基準としたときに、凝縮巻きによって、概ねその基準に対し、０．７〜１．０倍の外径で構成することができる。この０．７〜１．０内で設定しているのが凝縮巻き係数である。図６をみると１．０に近いほど感度が高くなるため、余り敷き詰めて巻かないほうが（コイル外径を大きくしたほうが）利得が多く得られることが解る。ただし、凝縮巻き係数の範囲は、コイルの被覆の状態や、コイル線の状態、巻線の構成の仕方により大きく変化する。本例では０．７３〜０，７８を最良の範囲としているが、その係数で巻線が構成できない場合は、たとえば１．０等の確実に巻線が構成できる範囲で設定し、それに準じて後述する、より高い伝送効率を確保できるコイル条件を決めればよい。

続いて、図７に示す２次巻数では、１７０[ターン]より多く巻くあたりから利得が得られにくくなることが解った。続いて図８に示す巻き高さであるが、これはコイルを巻いたときの、コイルの高さを示しており、図８をみるとなるべく低く巻いたほうが良いという結果が得られた。

ここで、図４〜図８に示すように、各因子に対して近似曲線を作成した。各因子、それぞれの近似曲線を図４〜図８で、Ｙａ，Ｙｂ，Ｙｃ，Ｙｄ，Ｙｅとすると、一番伝送効率が高く得られる水準はＹｓｕｍ＝Ｙａ＋Ｙｂ＋Ｙｃ＋Ｙｄ＋Ｙｅが最大となる条件として求めることができる。ところが、最も伝送効率が高く得られる水準で２次側コイル２０６を構成した場合、２次側コイル２０６の形状（特にコイル外径）が、限りなく大きくなってしまう。たとえばコイル線径は太い方が望ましいが、いくらでも太くした場合、それだけ２次側コイル２０６が大きくなるし、凝縮巻き係数に対しても、１に近ければ近いほど、コイル外径は大きくなってしまう。

ここで、電子時計の大きさとしては、φ３０〜φ４０ｍｍ程度が一般的であるので、その範囲で２次側コイル２０６を構成する必要がある。より詳細には、２次側コイル２０６はケース等の筐体に囲まれるため、実質的な２次側コイル２０６の外径としては、φ３７ｍｍ以下にすることが望ましい。ここで、コイル外径は、以下の式より計算することができる。

コイル外径＝コイル内径＋２（コイル線径×横方向巻数×凝縮巻き係数）
横方向巻き数＝全体の巻数／縦方向巻数
縦方向巻き数＝巻高さ／コイル線径
より、
コイル外径＝コイル内径＋２（(コイル線径)²×巻数×凝縮巻き係数／巻高さ）
となる。

このコイル外径の式と、この第１の実施の形態で記載した近似曲線から、時計サイズと伝送効率の関係をプロットすると、図１１に示す結果が得られた。この図１１より、電子時計の直径φ３０〜φ４０ｍｍの範囲で伝送効率がどのようになるかあらかじめ確認することができ、かつ、そのときの２次側コイル２０６の構成因子の水準は、近似曲線によって明らかになる。

ここで、仮に効率６８．５％以上で、電子時計のサイズがφ３４ｍｍより小さい候補を探そうとすると、表３で示す候補が挙げられる。

ところで、コイル内径は、図４より、あまり伝送効率に影響のないことが解っているので、構成できる最小のサイズで構成した。このように、ある程度の伝送効率と、サイズを限定すると、それぞれの因子に対し、以下のことがいえる。

使用するコイル線径は０．２１ｍｍ〜０．２３ｍｍが適度によく、それ以外の水準にした場合、コイル外径が大きくなってしまう。また、巻数に対しては１５０〜１７０[ターン]が望ましく、１７０[ターン]より多く巻いた場合は、図７の通り、伝送効率に対してほぼ影響がなくなる。巻高さにおいては１．１ｍｍ〜１．３ｍｍが伝送効率が良好に確保できる範囲で、１．１ｍｍより小さくした場合、前述のコイル外径を求める式より、極端にコイル外径が大きくなる。

このように、コイル線形、巻数、巻高さの条件から、たとえば最も作りやすい条件を選んだり、もしくは最もコストが掛からない候補を選ぶことで、制限された時計サイズの中で、ある程度の自由度をもって２次側コイル２０６を構成することができる。

ここで、コイルを構成するにあたって、特にコストや、作り安さで制約がない場合は、図１２で示すように、ある任意の時計サイズのとき、効率が最大となる水準（図１２の点線に沿った水準）を適応すればよい。

（第２の実施の形態）
電磁誘導技術を用いて電力を伝送する場合、１次側コイル１０１と２次側コイル２０６の相互的なマッチングが必要不可欠となるので、２次側コイル２０６の諸条件だけでは、より良い効果を発揮することは難しい。ここで、１次側コイル１０１の解析結果を以下、図１３、図１４、図１５に示す。

図１３に示す１次側コイル１０１の線径をみると、０．３３ｍｍ〜０．３６ｍｍで利得が最大になることが解った。図１４に示す断面積比は、これは、２次側コイル２０６の底面の断面積を１とした場合の、１次側コイル１０１上面の断面積の大きさを表している。斜視図で示すと図１６で、２次側コイル２０６の斜線部と、１次側コイル１０１の斜線部の比率がこれにあたる。

図１４によると、この断面積の比率は２次側コイル２０６の１に対して、１次側コイル１０１は２．０より若干大きい２倍〜２．５倍に設定することがもっとも利得が得られる構成ということが解った。仮に２．５倍以上にした場合、徐々にその利得が低下していく。

続いて、図１５に示す巻数比では、２次側コイル２０６の巻数を１としたときに、１次側コイル１０１の巻数をその何倍で構成するのが最も良いかを示したもので、図１５によると、８．５倍〜１０倍が最も利得が得られる構成ということが解った。

以上のことから、本発明における２次側コイル２０６と１次側コイル１０１の条件を下記に示す。電子時計２００を直径約φ３４ｍｍで構成する場合、最良の２次側コイル２０６の水準としては、巻数１６２[ターン]、コイル線径φ０．２２ｍｍ、巻高さ１．２ｍｍ、凝縮巻き係数０．７３で構成することで、かつ、１次側コイル１０１を、コイル線径φ０．３３〜０．３６ｍｍ、断面積比を２〜２．５倍、巻数比を８．５〜１０倍(約１５００[ターン])で構成することが最も伝送効率を確保できる構成で、１次側コイル１０１と２次側コイル２０６を上記の条件にて構成した場合、裏蓋（チタン）の厚みを約１ｍｍとしたとき、伝送効率６９．１％を得ることができる。

また、電子時計２００を直径約φ３３ｍｍとして構成する場合、２次側コイル２０６の水準は、巻数１５３[ターン]、コイル線径φ０．２２ｍｍ、巻高さ１．３ｍｍ、凝縮巻き係数０．７３で構成することが望ましく、さらにそれより小さくする場合は、コイル線径をφ０．２１ｍｍに、ないしは巻数を１４０[ターン]、または巻高さを１．２ｍｍにすれば良い。

また、電子時計２００を直径φ３５ｍｍより大きくなるように時計を構成する場合、２次側コイル２０６の水準は、巻数を１６０〜１７２[ターン]、コイル線径をφ０．２２〜φ０．２３ｍｍ、巻高さを１．２〜１．１ｍｍで構成し、そのサイズに合わせて凝縮巻き係数を決めれば良い。

なお、１次側コイル１０１の諸条件は、２次側コイル２０６との比率が関係しているため、２次側コイル２０６の条件に合わせてその条件を決定すれば良い。
以上の構成をまとめたものを、表４に示す。

なお、この条件のいずれも、磁束経路を妨げる金属部分（裏蓋）の厚みが、一般的な電子時計に使われる金属の厚み（０．８ｍｍ〜１．５ｍｍ）程度で適応できる。また、本明細書に記載のコイル線径の大きさは、コイルの被覆を含まない大きさとして示しており、コイル外径や、時計サイズの計算等は、被覆を含んだ大きさで計算している。被覆の大きさはマグネットワイヤ種で２ないし３種を適応している。したがって、以上説明した実施の形態によれば、受電側筐体にコイルを内蔵する場合、１次側コイルの巻数を２次側コイルの巻数の８．５〜１０倍とし、さらに２次側コイルと対向する面の面積を２次側コイルの２〜２．５倍の範囲で構成することで、伝送効率を良好に確保できる。

また、受電側筐体に内蔵された２次側コイル２０６の大きさをコイル内径φ２０ｍｍ以上、コイル外径φ４０ｍｍ以内としたときに、その巻数を１４４〜１７２[ターン]、コイル線径φ０．２１〜０．２３[ｍｍ]、巻高さ１．１〜１．３[ｍｍ]の範囲で構成し、かつ、１次側コイル１０１のコイル線径をφ０．３３〜０．３６ｍｍ、巻数を２次側コイル２０６の８．５〜１０倍とし、さらに２次側コイル２０６と対向する面の面積を２次側コイル２０６の２〜２．５倍の範囲で構成することで、良好な伝送効率で、受電側筐体に非接触エネルギーを伝送することができる。

また、受電側筐体に内蔵された２次側コイル２０６の大きさをコイル内径φ２０ｍｍ以上、コイル外径φ３０ｍｍ以下としたときに、コイル線径をφ０．２１〜φ０．２２ｍｍ、巻数１４０[ターン]〜１５３[ターン]、巻高さ１．２〜１．３ｍｍとすることで、良好な伝送効率で、受電側筐体に非接触エネルギーを伝送することができる。受電側筐体の例として、男性用ないし女性用の電子時計に対して適応できる。

また、受電側筐体に内蔵された２次側コイル２０６の大きさをコイル内径φ２０ｍｍ以上、コイル外径φ３２ｍｍ以上としたときに、コイル線径をφ０．２２〜φ０．２３ｍｍ、巻数１６２[ターン]〜１７２[ターン]、巻高１．１〜１．２ｍｍとすることで、良好な伝送効率で、受電側筐体に非接触エネルギーを伝送することができる。受電側筐体の例として、男性用の中でも標準的なサイズより若干大きめのサイズの電子時計に対して適応できる。

また、受電側筐体に内蔵された２次側コイル２０６の大きさをコイル内径φ２０ｍｍ以上、コイル外径φ３０〜φ３２ｍｍとしたときに、コイル線径をφ０．２２ｍｍ、巻数１５３[ターン]〜１６２[ターン]、巻高さ１．２ｍｍとすることで、良好な伝送効率で、受電側筐体に非接触エネルギーを伝送することができる。受電側筐体の例として、男性用の中でも標準的なサイズの電子時計に対して適応できる。

また、上述したコイル条件決定方法を用いることで、受電側筐体の大きさに関わらず、伝送効率が良好に確保できる１次側コイル１０１および２次側コイル２０６の諸条件を決定する手段を得る。また、幾つかの候補の中から条件を選定できるため実装する際のコストや、実装上の制約において条件の自由度が向上する。

また、受電側筐体のサイズがφ４０ｍｍ以下である場合、たとえば受電側筐体が電子時計だった場合にその範囲内において伝送効率が良好に確保できる１次側コイル１０１および２次側コイル２０６の諸条件を決定する手段を得ることができる。

また、受電側筐体のサイズがφ２０ｍｍ以上である場合、たとえば受電側筐体が電子時計だった場合にその範囲内において伝送効率が良好に確保できる１次側コイル１０１および２次側コイル２０６の諸条件を決定する手段を得る。

また、受電側筐体が、ある任意のサイズにおいて、利得を最大に得られるように条件を決定することで、伝送効率がそのサイズにおいて最大に確保できる１次側コイル１０１および２次側コイル２０６の諸条件を決定する手段を得ることができる。

また、電子時計に対して、この手段を用いることで、充電装置と電子時計間の磁気的な結合を大幅に高めることができ、その結果、良好な伝送効率を確保できる１次側コイル１０１および２次側コイル２０６の諸条件を決定することができる。

以上のように、本発明にかかる非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル、非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法は、電子時計などの電子機器に有用であり、特に、金属を筐体とした電子機器に対しても、効果的にエネルギーを伝送する機器やその条件設定に適している。

１００充電器
１０１１次側コイル
１０２１次側コア
２００電子時計
２０１ムーブメント
２０２電池
２０３文字板
２０４ケース
２０５２次側コア
２０６２次側コイル
２０７裏蓋

Claims

１次側コイルを中央凸部に巻装した１次側コアと２次側コイルを中央凸部に巻装した２次側コアとを同心軸上に対向するよう非接触に配置し、前記１次側コイルに誘起された磁束を前記１次側コアの中央凸部から前記２次側コアを介して伝送する前記２次側コイルにエネルギーを誘起させる非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイルであって、
前記１次側コイルを、前記２次側コイルの巻数の８．５〜１０倍とし、さらに前記２次側コイルと対向する面の面積を前記２次側コイルの２〜２．５倍の範囲で構成したことを特徴とする非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル。
前記２次側コイルの巻数を１４４〜１７２[ターン]、コイル線径φ０．２１〜０．２３[ｍｍ]、巻高さ１．１〜１．３[ｍｍ]の範囲で構成し、かつ、前記１次側コイルは、コイル線径をφ０．３３〜０．３６[ｍｍ]、巻数を前記２次側コイルの８．５〜１０倍とし、さらに前記２次側コイルと対向する面の面積を前記２次側コイルの２〜２．５倍の範囲で構成したことを特徴とする請求項１に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル。
前記２次側コイルは、コイル線径をφ０．２２〜φ０．２３[ｍｍ]、巻数１６２〜１７２[ターン]、巻高さ１．１〜１．２[ｍｍ]であり、かつ、コイル内径がφ２０[ｍｍ]以上、コイル外径がφ３２[ｍｍ]以上であることを特徴とする請求項１に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル。
前記２次側コイルは、コイル線径をφ０．２[ｍｍ]、巻数１５３〜１６２[ターン]、巻高さ１．２[ｍｍ]であり、かつ、コイル内径がφ２０[ｍｍ]より大きく、コイル外径がφ３２[ｍｍ]より小さく、φ３０[ｍｍ]より大きいことを特徴とする請求項１に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コイルと２次側コイル。
２次側コイルの構成因子から、水準と利得の関係と、その水準より求まる受電側筐体の直径方向の大きさの関係に基づきコイル諸条件を決定し、さらに、２次側コイルの水準と関連付けられた因子と、その因子の水準と利得の関係に基づき１次側コイルの条件を決定することを特徴とする非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法。
前記受電側筐体の直径方向の大きさをφ４０ｍｍ以下の範囲とすることを特徴とする請求項５に記載の非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法。
前記受電側筐体の直径方向の大きさをφ２０ｍｍ以上の範囲とすることを特徴とする請求項５または６に記載の非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法。
任意の受電側筐体の直径方向の大きさに対し、利得が最大になるように水準を決定する事を特徴とする請求項５、６または７に記載の非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法。
前記受電側筐体は、腕時計型電子時計であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一つに記載の非接触エネルギー伝送装置のコイル条件決定方法。