JP2010220409A - 非接触エネルギー伝送装置の１次側コア、非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法、非接触充電用電子時計の充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率をより向上するための、１次側コイルに応じた１次側コアの構成と、さらに、１次側コアの構成を、より最適に伝送効率が高く決定できる手段を提供する。
【解決手段】貫通孔を含む凸部１０２ｂと、凸部１０２ｂの底部から延在した延在部１０２ａとを有し、その端部において立設して設けられ、凸部１０２ｂの周面を内包する周壁部が設けられた１次側コア１０２と、凸部１０２ｂに巻装された１次側コイル１０１とを備え、１次側コイル１０１は、１次側コア１０２とともに磁束を発生させて、１次側コア１０２に対向して配置された２次側コア２０５を介して電力または情報を２次側コイルに伝送する非接触エネルギー伝送装置の１次側コア１０２であって、１次側コア１０２の凸部１０２ｂを１次側コイル１０１の巻き高さと略同等の高さに設定すると共に、１次側コイル１０１の底面と延在部１０２ａとが接しないようにした。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、非接触エネルギー伝送装置の１次側コア、非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法、非接触充電用電子時計の充電装置に関するものである。

従来、１次側コイル（送電）と、２次側コイル（受電）を用いて、１次側から磁束を誘起し、その磁束を２次側コイルに鎖交させることで２次側コイルに電力を伝送する非接触エネルギー伝送技術が知られている。電力を伝送する際は、磁束をより吸収（放出）するために、透磁率の高いコアが用いられ、これによってエネルギー伝送を効果的に行うことができる。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という利点がある。

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利点があり、たとえばプラスチックの場合は、時計が軽量化できるといった利点がある。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、外観が良いなどの利点がある。ところで、プラスチックによって構成されていると、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、その金属部に渦電流損が発生する。この渦電流損とは、導電率があるものに磁束が通過したときに生じる損失のことで、この損失は通常、熱になる。そこで、たとえば特許文献１では、図２６に示すように構成している。この図２６における符号１０は１次側コア、符号１１は中央凸部、符号１３，１４は拡幅部、符号１５は１次側コイルである。本構成では、１次側コア１０の２次側コアに対向する面を内周、または外周方向に拡幅することで、磁気的な結合を高め、伝送効率を向上しようとしている。

特開平８−７８２５７号公報

しかしながら、上記に示されるような従来の技術にあっては、伝送効率を向上することは、その分だけ充電時間を早めることや、また、熱（損失）の上昇分を少なくすることに繋がり、さらに、前述した時計、シェーバー、歯ブラシなどの比較的小型なもの以外に、ノートパソコンや、デジタルカメラ等、中〜大型などの、大容量の電力が必要な電子機器に対しても、十分な充電をすることができるようになり、近年、伝送効率を向上することは、中〜大型などの電子機器にかかわる産業上の発展に大きく貢献できることから非常に望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、伝送効率をより向上するための、１次側コイルに応じた１次側コアの構成と、さらに、１次側コアの構成を、より最適に伝送効率が高く決定でき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、貫通孔を含む凸部を有し、前記凸部の底部から延在した延在部を有し、その端部において立設して設けられ、前記凸部の周面を内包する周壁部が設けられた１次側コアと、前記凸部に巻装された１次側コイルとを備え、前記１次側コイルは、前記１次側コアとともに磁束を発生させることにより、前記１次側コアに対向して配置された２次側コアを介して電力または情報を２次側コイルに伝送する非接触エネルギー伝送装置の１次側コアであって、前記１次側コアの凸部を前記１次側コイルの巻き高さと略同等の高さに設定すると共に、前記１次側コイルの底面と前記延在部とが接しないようにしたことを特徴とする。

本発明は、１次側コアの凸部を１次側コイルの巻き高さと略同等の高さで構成すると共に、１次側コイルの底面と１次側コアの延在部とが接しないよう構成することで、１次側コイルから発する磁束を効果的に１次側コアに伝えると共に、１次側コアの延在部と１次側コイルの底面とのギャップにより、相互作用的な磁束の影響を軽減することで、効果的な利得を得ることが可能になり、伝送効率を大幅に向上できる１次側コアを提供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、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３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４は、２次側コア各部における寸法関係を符号で示す説明図である。 図５は、２次側コア各部に対向する１次側コア各部における寸法関係を符号で示す説明図である。 図６は、２次側コアおよび１次側コア各部おける寸法関係を符号で示す説明図である。 図７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８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９は、この実施の形態にかかる１次側コイルの寸法、面積およびその比率に応じた１次側コアの構成を示す説明図である。 図１０は、図９におけるＱの解析結果の様子を示すグラフである。 図１１は、図９におけるＲの解析結果の様子を示すグラフである。 図１２は、図９におけるＳの解析結果の様子を示すグラフである。 図１３は、図９のＱ，Ｒ，Ｓの条件を満たす１次側コアの構成を示す説明図である。 図１４は、図１３の１次側コアの構成に対する１次側コアの分割例を示す説明図である。 図１５は、１次側コアのカットモデル例を示す説明図である。 図１６は、１次側コアの凸部寸法と延在部寸法との関係を説明図である。 図１７は、解析による磁束の閉ループ例（１）の様子を示す説明図である。 図１８は、解析による磁束の閉ループ例（２）の様子を示す説明図である。 図１９は、解析による磁束の閉ループ例（３）の様子を示す説明図である。 図２０は、１次側コアの底部と周壁部の厚みとの関係を示す説明図である。 図２１は、図２０における解析結果１（１次側コアの底部厚みＹ方向のＳＮ比と水準）を示すグラフである。 図２２は、図２０における解析結果２（１次側コアの底部厚みＹ方向の感度と水準）を示すグラフである。 図２３は、図２０における解析結果３（１次側コアの側面部幅のＳＮ比と水準）を示すグラフである。 図２４は、図２０における解析結果４（１次側コアの側面部幅の感度と水準）を示すグラフである。 図２５は、解析結果より得られる１次側コアの最適条件を示す説明図である。 図２６は、従来における非接触エネルギー伝送システムの１次側コア例を示す説明図である。 図２７は、１次側コアの好ましい磁束経路および好ましくない磁束の閉ループ例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる本発明にかかる非接触エネルギー伝送装置の１次側コア、非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法、非接触充電用電子時計の充電装置の実施の形態を詳細に説明する。

ここで、本発明の発明者は、さらに伝送効率を向上することはできないかと、日々研究を重ねたところ、前述した渦電流損を低減、ないし磁気結合を高めることに加え、また別の方法で伝送効率を向上することのできる手段を見出した。それは、たとえば図２７に示すような磁束の閉ループ、いわゆる、２次側コア３０に届かずに、１次側コア２０のみで閉塞的にループしてしまう無駄な磁束を防ぐことにより損失を低減させ、そのぶん伝送効率を向上するというものである。その際に、重要となってくるのが１次側コア２０と、１次側コイル２１の形状や寸法などの比率関係であり、従来のように単に１次側コア２０の構成を改良するのでなく、１次側コア２０を、それを巻装する１次側コイル２１に応じて特定の条件にて成型した場合、より良好な伝送効率が得られることを見出した。そしてさらに、１次側コア２０の形状や寸法の条件を、比較的簡易な工程で定めることができる手段を見出した。なお、図２７における符号３１は２次側コイル、符号３２，３３は金属部である。

一般的に、磁束の経路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、コイル形状やコイル間の距離、投入エネルギー、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有る場合、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、特に１次側コアおよび２次側コアの形状や寸法などの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、具体例をあげてその詳細な説明を行う。

（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ＳＩＭ（シュミレータ）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２０２であれば、電池２０２の直径や、その厚み、導電率などを設定した。また裏蓋２０７であれば、その導電率や厚みを設定した。なお、裏蓋２０７の直径は、２次側コイル２０６の形状や、２次側コア２０５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、コア関係では、特に１次側コア１０２と２次側コア２０５の相互関係が重要となるので、２次側コア２０５を基準として、そのとき、１次側コア１０２がどのような形状にするか、比率を用いて因子を設定した。また、誤差因子として室温や、充電器１００と電子時計２００の距離、電子時計２００の汚れを設定した。

設定した因子は表１の通りである。たとえば１次側コイル１０１の場合、
コイル線径 :コイル線の太さ
コイル種 :マグネットワイヤ種(０〜３)
断面積比 ：１次側コイル１０１と２次側コイル２０６の対向する面の面積比(２次側コイル２０６を１としたときの比率)
巻数比 :１次側コイル１０１と２次側コイル２０６の巻数の比 (２次側コイル２０６を１としたときの比率)
凝縮巻き係数 :コイルを構成する場合、そのコイルは図２のように巻いて構成することが一般的である。ところが、図３のように、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２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。

表１に戻って説明する。コア凸部−コイル上面：１次側コア１０２の凸部の高さと、１次側コイル１０１の上面の高さのギャップとして設定しており、この因子については、後述する水準が０の場合、同じ高さとし、１の場合、コア凸部が１ｍｍ高くなるように、−１の場合はコア凸部が１ｍｍ低くなるようにしている。

続いて、２次側コア２０５は、
底部厚み :図４のＡの寸法
底部幅 : 図４のＢの部分 （２次側コア２０６の低部の幅Ｈ：１０．５に対する比率）
羽部厚み :図４のＣの寸法を示している。

続いて、１次側コア１０２は、
２次側コア空芯:１次側コア空芯＝１:Ｘ・・・これは図５のＡ部分で、２次側コア２０５の空芯部分における面積と、それに対向する１次側コア１０２の空芯部分の面積比を示している。（２次側コア２０５の空芯を１としたときの比率）
２次コア断面積:１次凸部断面積＝１:Ｘ・・・これは図５のＢ部分で、２次側コア２０５の低部の面積を１としたときの、それに対向する１次側コア１０２の凸部の上面との面積比を示している。

１次側コイル底面凸部上面:凸部の高さ＝１:Ｘ ・・・これは図５のＣ部分で、１次コイル底面から凸部までの寸法を１としたときの、１次側コイル１０１の底部から凸部までの寸法比を示している。
凸部−１次側コイル内径(幅Ｇａｐ)・・・・これは、図５のＤ部分で、凸部から、１次側コイル１０１の内径までのギャップを示している。

底部厚み(Ｙ方向)・・・これは、図６のＡ部分で、１次側コア底部の厚みを示している。
１次側コイル断面積:コア空芯(大)断面積＝１:Ｘ・・・これは、図６のＢ部分で、１次側コイル１０１の底面の面積を１としたときの、その底面に対向する、１次側コア１０２の凸部から周壁部内側までの面との断面積比を示している。
側面部幅・・・これは図６のＣ部分で、側面部の横方向の厚みを示している。
２次コア上面−１次コア上面・・・これは、図６のＤ部分で、２次側コア２０５の上面と、１次側コア１０２の拡幅部の上面とのギャップを示している。なお、後述する水準が０の場合、ギャップは０（同じ高さ）であり、１の場合、２次側コア２０５の上面が、１次側コア１０２の拡幅部の上面と比べて１ｍｍ高いことを示す。
２次側コア厚み:拡幅部厚み=１:Ｘ・・・これは図６のＥ部分で、２次側コア２０５の羽部２０５ａの厚みを１としたときの、１次側コア拡幅部の厚みの寸法比を示している。

さて、上述したように、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２０６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２０６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１１５ターン、１６３ターン、１７１ターンというように決定した。２次側コイル２０６以外の因子に対しても、表１のように３水準にて条件を決定した。もちろん、条件が変化すれば、２次側コイル２０６や、ケース２０４、２次側コア２０５の形状が変化することから、電子時計２００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、最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つの因子に対して３水準としているため（誤差因子は２水準）、そのときに必要な、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η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７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８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８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。また、各因子の水準および利得を計算することで、その範囲において、より最適な水準を見つけることができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に記載した方法で解析を行ったところ、１次側コイル１０１の、寸法、面積比、およびその比率に応じて１次側コア１０２を構成した場合、良好な伝送効率を確保できることを見出した。特徴ある因子を整理すると、図９に示す、Ｑ，Ｒ，Ｓがそれにあたり、これは前述した説明のとおりである。

Ｑ：１次側コイル１０１の底面から１次側コア１０２の凸部上面までの寸法と、１次側コア１０２の凸部全体の寸法との比
Ｒ：１次側コア１０２の凸部１０２ｂから、１次側コイル１０１の内径までのギャップ(寸法)
Ｓ：１次側コイル１０１の底面の面積と、それに対向する１次側コア１０２の延在部１０２ａとの面積比を示している。

ここで、Ｑ，Ｒ，Ｓについて、それぞれ図１０、図１１、図１２に示す解析シミュレーションによる結果が得られた。

まず、Ｑについて、図１０をみると、Ｘ軸で、１．０に近づくほどその利得が大きくなっていることがうかがえる。このことは、１次側コア１０２の凸部１０２ｂの寸法と、１次側コイル１０１の巻高さの比が１に近づくほど良くなるということと同意で、すなわち、凸部１０２ｂの寸法と、１次側コイル１０１の巻き高さをほぼ同じにすることで、大きな利得を得ることができる。厳密には、１．０にするよりは、１．１など、１より若干大きいほうが良く、１次側コイル１０１の底面が、若干１次側コア１０２の延在部１０２ａから離れていると良い。なお、水準が１．０より小さい範囲については、物理的に矛盾する構成(１次側コイル１０１の底面が、１次側コア１０２の延在部１０２ａに食い込む形)となってしまうため、本例では１．０以下についてはシミュレーションを省略している。

続いて、Ｒについて、図１１をみると、Ｘ軸で、０．５〜０．９ｍｍの範囲で利得が大きく得られることが解る。これまで、１次側コア１０２の凸部１０２ｂに直接コイルを直接巻装して構成していたが、１次側コア１０２を経路とする磁束と、１次側コイル１０１の内側面における磁束の相互的な作用の影響から、若干ギャップを持たせ、望ましくは０．６ｍｍ〜０．８ｍｍのギャップを有して構成するのが極めて良いことを見出すことができた。

続いて、Ｓについて、図１２をみると、Ｘ軸で、１．２〜１．３の範囲で利得が大きくなっていることがうかがえる。つまり、１次側コイル１０１の底面の面積と比較して、１．２〜１．３倍の面積にて１次側コア１０２の延在部１０２ａを構成することがもっとも望ましいことが解る。このことは、前述したように、１次側コイル１０１の内径から若干のギャップを持たせて１次側コア１０２の凸部を生成するように、その反対側の１次側コイル１０１の外径にも若干のギャップを持たせて、１次側コア１０２の周壁部を生成するのが良いことを示している。

以上、説明したように、Ｑ，Ｒ，Ｓについて、それぞれの条件を満たすように１次側コア１０２を構成すると、図１３に示す構成が得られた。図１３では、１次側コア１０２の凸部１０２ｂ全体の寸法を、１次側コイル１０１の底面から１次側コア１０２の凸部１０２ｂ上面までの寸法Ｈの凡そ１．１倍で構成し、かつ、１次側コア１０２の凸部１０２ｂから、１次側コイル１０１の内径までのギャップを０．６ｍｍとし、かつ、１次側コア１０２の延在部１０２ａとの面積を、対向する１次側コイル１０１の底面の面積Ｓの１．２倍で構成している。このような構成において、伝送効率を飛躍的に向上させることができた。

また、実機による確認試験においては、解析シミュレーションと同等の条件にて１次側コア１０２を構成すると、１次側コイル１０１を１次側コア１０２の内部に配置することが困難となるため、図１４に示すように、１次側コア１０２の拡幅部にあたる部位を、分割にて構成し、１次側コイル１０１を配置した後、樹脂で固定し、拡幅部をかぶせて実験を行った。このように分割して構成した場合は、分割部分で磁気的な抵抗が発生することから、解析シミュレーションの結果とは若干異なり、少し伝送効率が悪くなるが、その割りを食った部分も含めても、全体的な伝送効率が飛躍的に向上したことを確認できた。なお、本例では、１次側コア１０２に拡幅部を備えた場合について説明をするが、前述の拡幅部は、必ずしも内側に拡幅していなくてもよく、反対に減幅してもよい。

また、本例の実機においては、極力解析シミュレーションと構成をあわせるために、円筒型で１次側コア１０２を構成しているが、特に円筒型に限定することはなく、図１５(上面図)に示すカットモデル１０３のような円筒の一部、仮に４５度や３０度で１次側コアをカットして構成しても良い。また、その際には、コアの体積を、その内部を通過する磁束で飽和しない範囲でカットするのが望ましい。（コアが飽和してしまうと、本来のコアの機能が発揮できなくなるため）

（第３の実施の形態）
ところで、１次側コア１０２の凸部の高さ（図１３で示す１．１Ｈ）であるが、本例では、電子時計を含む、小型の携帯機器の充電を想定していたため、あまり大きな寸法は設定せず、１４〜４０ｍｍの範囲で解析シミュレーションを行っている。このような範囲において、解析シミュレーションを継続して行ったところ、以下の関係があることを見出した。

それは、図１６に示すように、１次側コア１０２の凸部１０２ｂの寸法Ｈ’と、１次側コア１０２の延在部１０２ａの長さｈについて、Ｈ’>＝ｈで１次側コア１０２を構成することで、特に，ｈ＜Ｈ’＜４．４ｈの範囲において１次側コア１０２の凸部１０２ｂの高さを構成することで、より良好な伝送効率を確保できることを見出した。このような条件にて構成する場合、１次側コア１０２、ないし１次側コイル１０１は、やや縦長にて構成されることになるが、解析シミュレーションにより磁束の経路をみたところ、前記範囲において閉ループとなる磁束が減少していることが確認できた。

なお、Ｈ’＜４．４ｈをさらに超えてＨ’を大きく構成した場合には、図１７に示すように、１次側コア１０２の底部において閉ループが多く発生することが解り、また、Ｈ’＜ｈの範囲においては、図１８に示すように、１次側コア１０２の周壁部付近において、磁束の閉ループが多く発生することが解った。

以上のことより、１次側コイル１０１の凸部の高さＨ’を１４〜４０ｍｍの範囲において、その高さを、１次側コア１０２の延在部の長さｈに対し、ｈ＜Ｈ’＜４．４ｈで構成すること（逆に言えば、１次側コア１０２の凸部１０２ｂの高さＨ‘に対して、１次側コア１０２の延在部１０２ａの長さをＨ’／４．４〜Ｈ’の範囲で構成すること）によって、閉ループによる損失を防ぐことが可能となり、より効果的な伝送効率を確保することができる。

ところで、磁束の閉ループには、図１７および図１８で示すように比較的小さい閉ループから、図１９に示すように大きな閉ループを描くときもある。損失という意味では、前述したどちらも同じ意味合いとしてとれるが、大きな閉ループを描く場合、外乱に対し、安定性が損なわれるということが解析シミュレーションより解った。外乱とは、当該非接触エネルギー伝送システムの周りにある電子機器や、室温、１次側コア１０２や２次側コア２０５に付着しているゴミ、１次側コア１０２と２次側コア２０５の良好な位置関係からのズレ、などの、使用者によって左右される要因が挙げられる。ある特定の条件において、伝送効率が確保できても、外乱に対して安定性が損なわれると、使用者にとっては利便性が悪く、使いづらい。

（第４の実施の形態）
このような課題に鑑みて、本発明の発明者はこれまで行ってきた解析シミュレーションの結果から、ＳＮ比(安定性)と水準の関係図を作成したところ、１次側コア１０２を構成するその底部と、周壁部の厚みを、ある特定の厚みで構成することで、特にＳＮ比を良好に保てることを見出した。

この特徴あるところは、図２０で示すＸの１次側コア１０２の底部の厚み、Ｙの周壁部の厚みが挙げられる。

ここで、Ｘ：１次側コア１０２の底部の厚み、におけるＳＮ比と水準の関係図を図２１に示す。図２１を見るとその厚みは１２〜１３．５ｍｍにすると、より良好に安定性が得られることが解る。また、この因子の、感度と水準の関係図である図２２をみても同様に、１３〜１５ｍｍの範囲でその利得が良好になることが解る。よって、１次側コア１０２の底部の、好ましい厚みとしては１２〜１５ｍｍの範囲であり、特にＳＮ比、感度の両方を最大に得る場合には、１３〜１３．５ｍｍの範囲で構成することが望ましい。

続いて、Ｙ：周壁部の厚み、におけるＳＮ比と水準の関係図を図２３に示す。これをみるとその厚みは４〜５ｍｍとすると、より良好に安定性が得られることが解る。また、この因子の、感度と水準の関係図である図２４をみると、５〜６．５ｍｍの範囲でその利得が良好になることが解る。よって、Ｙ：周壁部の厚みの好ましい厚みとしては４〜６．５ｍｍの範囲であり、特にＳＮ比、感度の両方を最大に得る場合には、その厚みを５ｍｍで構成することが望ましい。

なお、上記の条件に加えて、本発明の実施例２で説明したように、１次側コア１０２の凸部の寸法Ｈ’に対して、１次側コイル１０１の底面から１次側コア１０２の凸部１０２ｂ上面までの寸法をＨ’／１．１で構成し、かつ、１次側コア１０２の凸部１０２ｂから、１次側コイル１０１の内径までのギャップを０．６ｍｍで構成し、さらに１次側コア１０２の延在部１０２ａの面積を１．２Ｓとした際、それに対向する１次側コイル１０１の面積をＳとして構成し、また、第３の実施の形態で説明したように、１次側コア１０２の凸部１０２ｂの寸法Ｈ’に対して、１次側コア１０２の延在部１０２ａの長さを、Ｈ’／４．４〜Ｈ’の範囲で構成し、さらにＨ’を１４〜４０ｍｍの範囲において構成した場合、本発明の最良の形態である１次側コア１０２が得られる。また、図２５が、上記条件にて構成された１次側コア１０２の図である。図２５の構成にて、実機評価を行ったところ、外乱に対して安定し、かつ、極めて高い伝送効率でエネルギーを伝送することが可能であった。

以上説明してきたように、この実施の形態によれば以下に列記するような効果を奏する。第１に１次側コア１０２の凸部１０２ｂを１次側コイル１０１の巻き高さと略同等の高さで構成すると共に、１次側コイル１０１の底面と１次側コア１０２の延在部１０２ａとが接しないよう構成することで、１次側コイル１０１から発する磁束を効果的に１次側コア１０２に伝えると共に、１次側コア１０２の延在部１０２ａと１次側コイル１０１の底面とのギャップにより、相互作用的な磁束の影響を軽減することで、効果的な利得を得ることが可能になり、伝送効率を大幅に向上できる１次側コア１０２を提供できる。

第２に、１次側コア１０２の延在部１０２ａの面積を、対向する１次側コイル１０１の面積の１．２〜１．３倍の面積で構成することで、１次側コイル１０１と１次側コア１０２間での効果的な磁束の伝達（比較的閉ループの少ないエネルギー伝送）が可能となり、伝送効率を大幅に向上できる１次側コア１０２を提供できる。

第３に、１次側コア１０２の凸１０２ｂ部を、１次側コイル１０１の内径から、０．５〜０．９ｍｍのギャップを有して構成することで、１次側コイル１０１と１次側コア１０２間で起こる相互作用的な磁束の影響を軽減することができ、伝送効率を大幅に向上する1次側コア１０２を提供できる。

第４に、１次側コア１０２の凸部の高さを、延在部の断面における長さの１〜４．４倍の高さで構成することで、磁束の閉ループを効果的に防ぐことができ、伝送効率を大幅に向上できる１次側コア１０２を提供できる。

第５に、上記第４の構成で、かつ、１４〜４０ｍｍの範囲で１次側コア１０２の凸部１０２ｂを構成することで、特に小型の携帯機器に対し、適したサイズの１次側コア１０２、ないし充電装置を提供することができる。

第６に、１次側コア１０２の底部の厚みを１２〜１５ｍｍで構成し、かつ、周壁部の厚みを４〜６．５ｍｍで構成することで、特に外乱に対して強い（安定性の高い）構成である、１次側コア１０２を提供することができる。

第７に、非接触エネルギー伝送システムの１次側コア１０２および、１次側コイル１０１に対し、第１の実施の形態に記載の処理を行うことで、１次側コイル１０１と１次側コア１０２間の磁気的な結合を大幅に高めることができると共に、良好な伝送効率を確保できる１次側コアの条件が得られる。

第８に、特に寸法や、面積比は、１次側コア１０２を経由する磁束に大きく影響する要因であり、これを因子とすることで、より最適な、１次側コイル１０１に対する１次側コア１０２の条件が得られる。

第９に、上述した各実施の形態に記載の条件で構成された１次側コア１０２を用いて充電装置を構成することで、より効果的な伝送効率をもって、電子時計に電力を伝送することが可能になる。

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次側コア、非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法、非接触充電用電子時計の充電装置は、電子時計などの小型電子機器などに有用であり、特に、良好な伝送効率を確保できる非接触充電装置に用いる１次側コアに適している。

１００ 充電器
１０１ １次側コイル
１０２ １次側コア
１０２ａ 延在部
１０２ｂ 凸部
１０３ カットモデル
２００ 電子時計
２０１ ムーブメント
２０２ 電池
２０３ 文字板
２０４ ケース
２０５ ２次側コア
２０６ ２次側コイル
２０７ 裏蓋

Claims (9)

1. 貫通孔を含む凸部を有し、前記凸部の底部から延在した延在部を有し、その端部において立設して設けられ、前記凸部の周面を内包する周壁部が設けられた１次側コアと、前記凸部に巻装された１次側コイルとを備え、前記１次側コイルは、前記１次側コアとともに磁束を発生させることにより、前記１次側コアに対向して配置された２次側コアを介して電力または情報を２次側コイルに伝送する非接触エネルギー伝送装置の１次側コアであって、
   前記１次側コアの凸部を前記１次側コイルの巻き高さと略同等の高さに設定すると共に、前記１次側コイルの底面と前記延在部とが接しないようにしたことを特徴とする非接触エネルギー伝送装置の１次側コア。
2. 前記延在部の面積を、対向する１次側コイルの面積の１．２〜１．３倍の面積に設定す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次側コア。
3. 前記凸部は、前記１次側コイルの内径から、０．５〜０．９ｍｍのギャップを有することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コア。
4. 前記１次側コアの凸部の高さを、前記延在部の断面における長さの１〜４．４倍の高さに設定することを特徴とする請求項１、２または３に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コア。
5. 前記凸部を、１４〜４０ｍｍの高さに設定することを特徴とする請求項４に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コア。
6. 前記１次側コアの底部の厚みを１２〜１５ｍｍに設定し、かつ、周壁部の厚みを４〜６．５ｍｍで設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コア。
7. 貫通孔を含む凸部を有し、前記凸部の底部から延在した延在部を有し、その端部において立設して設けられ、前記凸部の周面を内包する周壁部が設けられた１次側コアと、前記凸部に巻装された１次側コイルとを備え、前記１次側コイルは、前記１次側コアとともに磁束を発生させることにより、前記１次側コアに対向して配置された２次側コアを介して電力または情報を２次側コイルに伝送する非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法であって、
   前記１次側コアを構成する因子の水準と、利得の関係から、前記１次側コアの形状を決定する工程を含むことを特徴とする非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法。
8. 前記因子は、前記１次側コイルに対する寸法および面積、ないし寸法および面積の比率からなることを特徴とする請求項７に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コア決定方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一つ以上に記載の非接触エネルギー伝送装置の１次側コアを用いることを特徴とする非接触充電用電子時計の充電装置。

Images