JP2013125620A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信コイル及び調理容器の位置ずれに強くかつ伝送効率の高い誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】鍋１２３は、送信コイル１に電磁的に結合するように送信コイル１に近接して設けられる。送信コイル１は、水平な第１の面上の所定領域の周囲に巻線を巻回するように第１の面に沿って設けられる。誘導加熱装置は、第１の面と、第１の面の上方に近接して対向しかつ鍋１２３の底面が位置する第２の面との間において、少なくとも送信コイル１の巻線が存在する領域にわたって送信コイル１に電磁的に結合するように近接して設けられた磁性体３を備え、送信コイル１に磁性体３を近接させることにより送信コイル１の自己インダクタンスを増大させる。
【選択図】図３２

Description

本発明は、コイル間の誘導結合を用いた誘導加熱装置に関する。

近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う電子機器やＥＶ機器において無線充電を行うために、コイル間の誘導結合を用いた非接触コネクタ装置及び非接触コネクタシステムと、それを備えた電力伝送装置及び電力伝送システムの開発が進んでいる。非接触の電力伝送システムとして、例えば特許文献１〜３の発明が知られている。

特許文献１の無接点給電装置は、電力が供給される電力用１次コイルを備えた家具と、この家具に対して所定の配置位置に配置された状態で電力用１次コイルによる磁束内に配置される電力用２次コイルを備えたコードレス機器と、家具に対するコードレス機器の所定の配置位置を報知する報知手段とを具備して成ることを特徴とする。

特許文献２の無接点電力伝送コイルは、線状導体を略々同一平面内に渦巻き状に巻回して形成された平面コイルと、磁性体粒子がバインダ溶剤中に混入された液状の磁性体溶液を、上記平面コイルの一方の平面部及び当該平面コイルの側面部を覆うように塗布して形成された磁性体層とを有する、ことを特徴とする。

特許文献３の無線伝送システムは、無線電力伝送のための共振器を備え、これは、１つ以上のループを形成しかつ所定のインダクタンスを有する導体と、所定の容量及び所望の電気的パラメータを有しかつ上記導体に接続されているキャパシタネットワークとを備える。ここで、上記キャパシタネットワークは、電気的パラメータとして第１の温度プロファイルを有する第１のタイプの少なくとも１つのキャパシタと、電気的パラメータとして第２の温度プロファイルを有する第２のタイプの少なくとも１つのキャパシタとを有する。

このような非接触の電力伝送システムの原理は、非接触コネクタ装置を備えた情報伝送システムや、ＩＨ調理装置などの誘導加熱装置にも適用可能である。

特開２００１−３０９５７９号公報 特開２００８−１７２８７３号公報 米国特許出願公開第２０１０／０１８１８４５号明細書

非接触の電力伝送システムにおいて高い伝送効率を実現するには、送信側の電力伝送装置（例えば充電器）に備えられた送信コイルと受信側の電力伝送装置（例えば被充電器）に備えられた受信コイルとが電磁的に強く結合するように、送信コイル及び受信コイルの位置を正確に合わせて対向させることが必要となる。

特許文献１及び２の発明によれば、対向する送信コイル及び受信コイルの位置が正確に合っているならば高い伝送効率を実現できるものの、位置がずれると伝送効率が低下する課題がある。

位置ずれによる伝送効率の低下を解決するために、特許文献３の発明では、整合回路を動的に変更している。しかしながら、このような解決法は制御が複雑になるという課題があった。

同様の問題点は、非接触の電力伝送システムだけでなく、非接触コネクタ装置を備えた情報伝送システムや、誘導加熱装置にも存在する。

本発明の目的は、以上の問題点を解決し、簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの位置ずれに強くかつ伝送効率の高い誘導加熱装置を提供することにある。

本発明の態様に係る誘導加熱装置によれば、
調理容器と電磁的に結合するように近接して設けられた誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置において、
上記誘導加熱コイルの巻線は水平な第１の面上で巻回され、
上記誘導加熱装置は、
上記第１の面と、上記第１の面の上方に近接して対向しかつ上記調理容器の底面が位置する第２の面との間において、少なくとも上記誘導加熱コイルの巻線及び上記調理容器の底面が存在する領域にわたって上記誘導加熱コイル及び上記調理容器の底面に電磁的に結合するように近接して設けられた磁性体を備え、
上記誘導加熱コイルに上記磁性体を近接させることにより上記誘導加熱コイルの自己インダクタンスを増大させ、上記調理容器の底面を上記磁性体に近接させることにより上記調理容器の自己インダクタンスを増大させることを特徴とする。

上記誘導加熱装置は、上記誘導加熱コイル及び上記調理容器のそれぞれの自己インダクタンスを増大させることにより、上記誘導加熱コイル及び上記調理容器の間の結合係数を、上記誘導加熱コイルから上記調理容器への伝送効率の周波数特性が２峰性かつ狭帯域の特性から単峰性かつ広帯域の特性に変化するように、低下させて設定することを特徴とする。

上記誘導加熱装置において、上記誘導加熱コイルの巻線は上記第１の面に沿って単層で巻回されることを特徴とする。

上記誘導加熱装置において、上記誘導加熱コイルの巻線は上記第１の面に沿って多層で巻回され、上記多層の巻線のうちの各層の巻線は互いに直列に接続されることを特徴とする。

上記誘導加熱装置において、上記誘導加熱コイルの巻線は上記第１の面に沿って多層で巻回され、上記多層の巻線のうちの各層の巻線は互いに並列に接続されることを特徴とする。

上記誘導加熱装置において、
上記誘導加熱コイルの巻線は、上記第１の面に沿った誘電体基板上の導体パターンとして形成され、
上記磁性体は、上記誘導加熱コイル及び上記誘電体基板と一体的に形成されることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置によれば、非常に簡単な構成でありながら、誘導加熱コイル及び調理容器の間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で調理容器を加熱することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線における断面図である。 比較例の電力伝送システムの概略構成を示す断面図である。 図３の電力伝送システムの等価回路の一例を示す回路図である。 図３の送信コイル１及び受信コイル２の間の結合係数ｋを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示す概略図である。 図３の電力伝送システムにおける磁束の流れを示す概略図である。 図３の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の間の距離ｄを増大させたときの磁束の流れを示す概略図である。 図３の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の間の距離ｄを増大させ、かつ磁性体６を挿入したときの磁束の流れを示す概略図である。 図１の電力伝送システムにおける磁束の流れを示す概略図である。 図１の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の位置がずれたときの磁束の流れを示す概略図である。 本発明の第１の実施例に係る電力伝送システムの概略構成を示す斜視図である。 図１１の電力伝送システムの上面図である。 図１１のＢ−Ｂ’線における断面図である。 図１１の電力伝送システムの等価回路を示す回路図である。 図１１の電力伝送システムにおいて送信コイル１及び受信コイル２の間に生じさせた位置ずれを説明する図である。 磁性体３を除去した図１１の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の位置ずれを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 図１１の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の位置ずれを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 図１１の電力伝送システムの位置ずれに対する伝送効率の特性を示すグラフである。 図１１の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 磁性体３の厚さを減少させた図１１の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 磁性体３の厚さを減少させた図１１の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係る電力伝送システムの概略構成を示す上面図である。 空洞を除去した図２２の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 図２２の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施例に係る電力伝送システムの概略構成を示す断面図である。 図２５の送信コイル１及び受信コイル２を示す平面図である。 図２５の電力伝送システムの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図２５の電力伝送システムにおける送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置の構成を示す断面図である。 図２５の電力伝送システムにおける送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置の変形例の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る信号伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。 図３２の誘導加熱装置と鍋１２３の構成を示す断面図である。 図１の送信コイル１及び受信コイル２の変形例を示す断面図である。 図３４の送信コイル１の巻き方を説明する概略図である。 図３４の送信コイル１の巻き方の変形例を説明する概略図である。 図１の送信側及び受信側の非接触コネクタ装置の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。

第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線における断面図である。本実施形態の電力伝送システムは、送信コイル１及び受信コイル２の間の電磁結合を用いた非接触コネクタシステムを備えて構成される。図１他では、図示の簡単化のために、電力伝送システムに必要な電源、送電回路、受電回路などを省略し、非接触コネクタシステムのみを示す。なお、非接触コネクタシステムは、送信コイル１を備えた送信側の非接触コネクタ装置と、受信コイル２を備えた受信側の非接触コネクタ装置とからなるものとする。

図１の電力伝送システムにおいて、非接触コネクタシステムは、互いに近接して対向する第１の面及び第２の面に沿ってそれぞれ設けられた送信コイル１及び受信コイル２を備える。送信コイル１は端子Ｐ１ａ，Ｐ１ｂを有し、受信コイル２は端子Ｐ２ａ，Ｐ２ｂを有する。送信コイル１及び受信コイル２は互いに電磁的に結合するように近接して設けられる。送信コイル１は、第１の面上の所定領域の周囲に巻線を巻回するように第１の面に沿って設けられる。同様に、受信コイル２は、第２の面上の所定領域の周囲に巻線を巻回するように第２の面に沿って設けられる。非接触コネクタシステムは、第１の面と第２の面との間において、少なくとも送信コイル１及び受信コイル２の巻線が存在する領域にわたって送信コイル１及び受信コイル２に電磁的に結合するように近接して設けられた所定の比透磁率を有する磁性体３を備える。磁性体３は、例えばフェライトである。送信コイル１に磁性体３を近接させることにより送信コイル１の自己インダクタンスを増大させ、受信コイル２に磁性体３を近接させることにより受信コイル２の自己インダクタンスを増大させる。

本実施形態の電力伝送システムでは、送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれの自己インダクタンスを増大させることにより、送信コイル１及び受信コイル２の間の結合係数を、送信コイル１から受信コイル２への伝送効率の周波数特性が２峰性かつ狭帯域の特性から単峰性かつ広帯域の特性に変化するように、低下させて設定することを特徴とする。

以下、本実施形態の非接触コネクタシステムの動作原理について説明する。

図３は、比較例の電力伝送システムの概略構成を示す断面図である。図３の電力伝送システムにおいて、非接触コネクタシステムは、磁性体３を持たないことを除いて図１の非接触コネクタシステムと同様である。送信コイル１は送信側の非接触コネクタ装置の筐体４に設けられ、受信コイル２は受信側の非接触コネクタ装置の筐体５に設けられる。送信コイル１及び受信コイル２は距離ｄを有して離隔される。

図３の電力伝送システムにおいて、送信コイル１に電流が流れると、その電流により形成される送信コイル１の周囲の電磁界により受信コイル２に誘導起電力が生じ、受信コイル２に誘導電流が流れる。言い換えれば、送信コイル１及び受信コイル２は互いに電磁的に結合している。この結合の度合いを評価する指標として、次式の結合係数ｋが用いられる。

ｋ＝Ｍ／（√Ｌ１×√Ｌ２） （０≦｜ｋ｜≦１）

ここで、Ｍは、送信コイル１及び受信コイル２の間の相互インダクタンスを表し、Ｌ１は送信コイル１の自己インダクタンスを表し、Ｌ２は受信コイル２の自己インダクタンスを表す。

図４は、図３の電力伝送システムの等価回路の一例を示す回路図である。Ｑは信号源であり、ｚ０１は送信回路の負荷インピーダンスであり、ｚ０２は受信回路及び負荷の負荷インピーダンスであり、Ｒ１，Ｒ２は抵抗であり、Ｃ１，Ｃ２は整合用のキャパシタである。電力伝送システムが角周波数ωで動作するとき、伝送効率を表すパラメータＳ２１は、自己インダクタンスＬ１，Ｌ２と相互インダクタンスＭとを用いて次式のように表することが可能である。

なお、図４の等価回路及びこのパラメータＳ２１の式は単なる一例であり、電力伝送システムの等価回路及び伝送効率は他の任意の適切なモデルで表されてもよい。

送信コイル１及び受信コイル２が電磁的に強く結合している場合、｜ｋ｜≒１となるが、距離ｄが増大するにつれて、｜ｋ｜の値は減少していき、送信コイル１及び受信コイル２が電磁的に結合していない場合｜ｋ｜＝０となる。

図５は、図３の送信コイル１及び受信コイル２の間の結合係数ｋを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示す概略図である。図５では、Ｑ値は一定であると仮定する。図５によれば、結合係数ｋの大小に応じて伝送効率の帯域幅が変化することがわかる。通常、送信コイル１及び受信コイル２の電磁的結合が強い場合は、２峰性かつ狭帯域の特性になり、広帯域動作を実現することができない。すなわち、広帯域動作を実現するには、送信コイル１及び受信コイル２を近接させた条件下で結合係数ｋを低下させる必要がある。結合係数ｋは、自己インダクタンスＬ１，Ｌ２の平方根と相互インダクタンスＭとの比であるから、自己インダクタンスＬ１及びＬ２を増大させることができれば、結合係数ｋを低下させることができる。

図６〜図８は、図３の電力伝送システムにおける磁束の流れを示す概略図である。図６〜図８では、図３の筐体４，５は省略して送信コイル１及び受信コイル２のみを示す。図６のように送信コイル１及び受信コイル２が互いに近接している場合、送信コイル１に電流が流れると、送信コイル１及び受信コイル２の両方を包囲するように磁束Ｍ１ａ，Ｍ１ｂが形成され、相互インダクタンスＭが増大し、結合係数ｋが高くなる。図７は、図３の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の間の距離ｄを増大させたときの磁束の流れを示す概略図である。図７のように送信コイル１及び受信コイル２が互いに離れている場合、送信コイル１に電流が流れると、送信コイル１及び受信コイル２の周囲に形成される磁束のうちで一部の磁束Ｍ２ａ，Ｍ２ｂは漏れ磁束になるので、相互インダクタンスＭが低下し、結合係数ｋが低くなる。図８は、図３の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の間の距離ｄを増大させ、かつ磁性体６を挿入したときの磁束の流れを示す概略図である。送信コイル１及び受信コイル２が互いに離れている場合、図８のように送信コイル１及び受信コイル２の中心部分に磁性体６（鉄、フェライト、など）を挿入することで、図７の漏れ磁束Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを、磁性体６の内部を通過して送信コイル１及び受信コイル２の両方を包囲する磁束Ｍ１ｂに変化させることができ、その結果、相互インダクタンスＭが増大し、結合係数ｋが高くなる。

図６のように送信コイル１及び受信コイル２が互いに近接している条件下では、前述の通り、結合係数ｋが高くなるので、広帯域動作を実現することはできない。従って、磁束の流れを制御し、相互インダクタンスＭを低下させる代わりに自己インダクタンスＬ１，Ｌ２を高める必要がある。

図９は、図１の電力伝送システムにおける磁束の流れを示す概略図である。送信コイル１に電流が流れると、一部の磁束Ｍ１は磁性体３を通過して送信コイル１及び受信コイル２の両方を包囲するように形成されるが、他の一部の磁束Ｍ２ａは、磁性体３内において送信コイル１の近傍のみを通り、受信コイル２に向かうことはなく、送信コイル１のみを包囲する漏れ磁束として形成される。漏れ磁束Ｍ２ａが形成されることで、送信コイル１の自己インダクタンスＬ１が増大する。同様に、受信コイル２に誘導電流が流れると、磁性体３内において受信コイル２の近傍のみを通り、送信コイル１に向かうことはなく、受信コイル２のみを包囲する漏れ磁束Ｍ２ｂが形成される。漏れ磁束Ｍ２ｂが形成されることで、受信コイル２の自己インダクタンスＬ２が増大する。このように、図１の電力伝送システムでは、磁性体３を備えたことにより自己インダクタンスＬ１，Ｌ２が増大し、図６の場合と比較して結合係数ｋが低くなり、よって、広帯域動作を実現することができる。

図１０は、図１の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の位置がずれたときの磁束の流れを示す概略図である。この場合も、図９の場合と同様に、送信コイル１のみを包囲する漏れ磁束Ｍ２ａと、受信コイル２のみを包囲する漏れ磁束Ｍ２ｂとが形成される。このため、図９の場合と同様に、磁性体３を備えたことにより自己インダクタンスＬ１，Ｌ２が増大し、図６の場合と比較して結合係数ｋが低くなり、よって、広帯域動作を実現することができる。

好ましい結合係数ｋについて、図５を参照して説明する。前述のように、送信コイル１及び受信コイル２の電磁的結合が強い場合は、２峰性かつ狭帯域の特性であるが、結合係数ｋを次第に低下させると、伝送効率の２つのピークの間の周波数間隔は次第に小さくなり、かつ、２つのピークの間の伝送効率の極小値は次第に増大する。この周波数間隔が実質的に０になったとき、言い換えると、伝送効率の２つのピークとその間の極小値との差が小さくなったとき（例えば５〜１０％）、電力伝送システムの帯域幅は最大になる。この条件を満たすように、結合係数ｋは決定され、この結合係数ｋの値を達成するように、電力伝送システムの各パラメータ（磁性体３の厚さ及び比透磁率、送信コイル１及び受信コイル２の巻き数、など）は決定される。

距離ｄを有して離隔された送信コイル１及び受信コイル２の間に磁性体３を設けると、図２７を参照して後述するように、磁性体なし（「磁性体なし、ｄ＝２．６ｍｍ」、一点鎖線のプロット）では２峰性かつ狭帯域の特性であったところ、磁性体あり（「磁性体あり、ｄ＝２．６ｍｍ」、実線のプロット）では単峰性かつ広帯域の特性になる。磁性体を持たない電力伝送システムの場合、結合係数ｋが高いので２峰性の特性を示しているが、本実施形態の電力伝送システムの場合、磁性体３の効果により結合係数ｋが低下し、広帯域動作を実現できる。また、図２７によれば、磁性体なし（「磁性体なし、ｄ＝２．６ｍｍ」、一点鎖線のプロット）及び磁性体あり（「磁性体あり、ｄ＝２．６ｍｍ」、実線のプロット）を比較すると、磁性体３を設けたとき、自己インダクタンスＬ１，Ｌ２の増大により、共振周波数が２５０ｋＨｚから１５０ｋＨｚまで低下する。言い換えれば、本実施形態の電力伝送システムでは、共振周波数が低下することにより小型化の効果も得られる。

次に、図１１〜図１８を参照して、本実施形態の電力伝送システムの送信コイル１及び受信コイル２の位置ずれに対する耐性について説明する。

図１１は、本発明の第１の実施例に係る電力伝送システムの概略構成を示す斜視図である。図１２は、図１１の電力伝送システムの上面図である。図１３は、図１１のＢ−Ｂ’線における断面図である。送信コイル１及び受信コイル２は、３０ｍｍ×３０ｍｍの正方形の外周を有する矩形コイルであり、配線幅０．４ｍｍ、配線ピッチ０．４ｍｍ、配線の厚さ０．２ｍｍを有し、巻き数は５回である。送信コイル１及び受信コイル２は、距離ｄ＝２ｍｍを有して互いに対向する。送信コイル１及び受信コイル２の間には、厚さ２ｍｍ及び比透磁率１０を有するフェライトの磁性体３が設けられている。図１４は、図１１の電力伝送システムの等価回路を示す回路図である。Ｑ１は信号源であり、Ｚ１は負荷インピーダンスであり、Ｃ３，Ｃ４は整合のために装荷されたキャパシタである。キャパシタＣ３，Ｃ４の容量は２０ｎＦである。図１５は、図１１の電力伝送システムにおいて送信コイル１及び受信コイル２の間に生じさせた位置ずれを説明する図である。送信コイル１に対して受信コイル２を図１５に示すようにＹ方向に変位させた。磁性体３は、図１５の変位が可能であるように、Ｙ方向に十分な長さを有するものとする。

計算機シミュレーション（図１６〜図２１、図２３、図２４）では、有限要素法を用いて送信コイル１及び受信コイル２の間のインピーダンス行列を計算し、送信コイル１及び受信コイル２の間の伝送効率として、１００×｜Ｓ２１｜^２を求めた。

図１６は、磁性体３を除去した図１１の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の位置ずれを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図１７は、図１１の電力伝送システムにおいて、送信コイル１及び受信コイル２の位置ずれを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。磁性体３がない場合（図１６）、送信コイル１及び受信コイル２の間の変位が増大するにつれて共振周波数が高い周波数帯にシフトし、伝送効率が低下していく様子がわかる。動作周波数が約７００ｋＨｚであると仮定すると、伝送効率に大きな変動が生じる。これは、送信コイル１及び受信コイル２の位置にずれが生じることで、送信コイル１及び受信コイル２の間を貫く磁束が減少し、相互インダクタンスＭが低下するためである。一方、本実施形態の磁性体３を備えた電力伝送システムでは（図１７）、広帯域化の効果により、伝送効率の変動は小さく抑えられていることが判る。すなわち、本実施形態の電力伝送システムでは、位置ずれに強いという格別の効果があることがわかる。

図１８は、図１１の電力伝送システムの位置ずれに対する伝送効率の特性を示すグラフである。電力伝送システムの構成は、図１１〜図１４で示したものと同様であり、動作周波数は６８０ｋＨｚである。例えば、伝送効率が６０％以上になる範囲を求めると、比較例（磁性体なし）は５ｍｍまでのずれを許容し、実施例は１３ｍｍまでの位置ずれを許容できる。本実施形態の電力伝送システムは、送信コイル１及び受信コイル２の位置ずれに対して強い耐性を有することがわかる。

位置ずれ耐性が強くなるということは、送信コイル１及び受信コイル２の位置がずれても結合係数の相対変化が小さいということになる。

次に、図１９〜図２１を参照して、本実施形態の電力伝送システムにおいて磁性体３の比透磁率を変化させたときの特性について説明する。図１９〜図２１において、電力伝送システムの構成は、磁性体３の厚さ（送信コイル１及び受信コイル２の間の距離に等しい）及び比透磁率以外は、図１１〜図１４で示したものと同様である。ただし、キャパシタＣ３，Ｃ４の容量は１０ｎＦである。

図１９は、図１１の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図１９の場合、磁性体３の厚さは２ｍｍである。図１９によれば、比透磁率μ_ｒ＝２のときは２峰性の特性を示すが、比透磁率μ_ｒ＝７になると伝送効率を維持したまま広帯域化し、比透磁率μ_ｒ＝２０で単峰性になって伝送効率が低下している。従って、最適な比透磁率μ_ｒが存在することが確認できる。図２０は、磁性体３の厚さを減少させた図１１の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図２０の場合、磁性体３の厚さは１ｍｍであり、比透磁率μ_ｒは、比較のために図１９の場合と同じ値を用いた。磁性体３の厚さを減少させたことにより、送信コイル１及び受信コイル２の間の結合係数ｋが増大する。図１９の場合では、比透磁率μ_ｒ＝７のときに最適の特性が得られたが、磁性体３の厚さを変化させると、そのことが成立しなくなる。図２１は、磁性体３の厚さを減少させた図１１の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図２１の場合でも、磁性体３の厚さは１ｍｍであるが、図１９及び図２０の場合とは異なる比透磁率を用いた。図２１によれば、磁性体３の厚さを減少させた場合には、大きな比透磁率（例えばμ_ｒ＝１４）を有する磁性体を用いることで、厚さを減少させる前と同様の広帯域動作を実現できることがわかる。このように、本実施形態の電力伝送システムでは、比透磁率を高めることで薄型化にも対応できるという格別の効果がある。磁性体３の厚さを減少させることで、コスト及び重量の削減につながる。

次に、図２２〜図２４を参照して、本実施形態の電力伝送システムにおいて磁性体３に空洞を設けた場合の特性について説明する。

図２２は、本発明の第２の実施例に係る電力伝送システムの概略構成を示す上面図である。図２２の電力伝送システムは、磁性体３に空洞を設けたことの他は図１１〜図１４に示す電力伝送システムと同様の構成を有する。空洞の寸法は１４×１４ｍｍである。図２３は、空洞を除去した図２２の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図２４は、図２２の電力伝送システムにおいて、磁性体３の比透磁率を変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図２３及び図２４のグラフを比較すると、空洞の有無にかかわらず実質的に同様の特性を得られることがわかる。本実施形態の電力伝送システムでは、磁性体３は、少なくとも送信コイル１及び受信コイル２の巻線が存在する領域にわたって送信コイル１及び受信コイル２に近接して設けられていればよい。磁性体３に空洞を設けることで、コスト及び重量の削減につながる。

次に、図２５〜図２７を参照して、本実施形態の電力伝送システムのさらなる実施例について説明する。

図２５は、本発明の第３の実施例に係る電力伝送システムの概略構成を示す断面図である。図２６は、図２５の送信コイル１及び受信コイル２を示す平面図である。送信コイル１の下方には、シールドのために磁性体１１及び金属シールド１２が設けられ、受信コイル２の上方にも、シールドのために磁性体１３及び金属シールド１４が設けられている。磁性体１１，１３及び金属シールド１２，１４の厚さは０．１ｍｍである。シールドは漏洩電磁界を低減し、周辺機器への影響を低減する効果がある。磁性体３の比透磁率は１０であり、磁性体１１，１３の比透磁率は１０００である。送信コイル１及び受信コイル２は、図２６に示すように、外径２９ｍｍ及び内径１２．５ｍｍで、巻き数が１７回の円形コイルである。送信コイル１及び受信コイル２の巻線は幅０．４８ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有し、送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれは、インダクタンス１１．７μＨ及び直列抵抗０．４Ωを有する。

図２７は、図２５の電力伝送システムの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図２７のグラフは、実測によって得られた結果を示す。送信コイル１及び受信コイル２の間の距離ｄ＝２．６ｍｍであり、かつ、磁性体ありの場合（実線）と、比較のために、距離ｄ＝２．６ｍｍであり、かつ、磁性体なしの場合（一点鎖線）と、距離ｄ＝７．５ｍｍであり、かつ、磁性体なしの場合（一点鎖線）とについて、シミュレーションを行った。磁性体３の厚さは距離ｄに等しいものとする。「磁性体なし、ｄ＝２．６ｍｍ」の場合、送信コイル１及び受信コイル２が互いに近接して電磁的に強く結合しているので、周波数１５０ｋＨｚにおいて伝送効率が最大になっているが、広帯域動作は実現できていない。「磁性体なし、ｄ＝７．５ｍｍ」の場合、送信コイル１及び受信コイル２を互いに離したことにより相互インダクタンスが低下し、従って結合係数を低下させることができ、結果として広帯域動作を実現できるが、その際、伝送効率が最大になる周波数は２５０ｋＨｚに増大する。すなわち、実質的に電力伝送システムが大型化していることになる。一方、「磁性体あり、ｄ＝２．６ｍｍ」の場合、すなわち実施例に係る電力伝送システムの伝送効率の周波数特性は、１５０ｋＨｚで最大になり、伝送効率の帯域幅（例えば、伝送効率が６０％以上になる帯域幅）も、「磁性体なし、ｄ＝２．６ｍｍ」の場合に比べると広帯域化されていることがわかる。また、「磁性体なし、ｄ＝７．５ｍｍ」の場合と比べると、伝送効率が最大になる周波数が低下している。以上の結果から、本実施形態の電力伝送システムは、広帯域化と小型化とを同時に実現できるという格別の効果がある。

以下、本発明のいくつかのアプリケーションについて説明する。

図２８は、本発明の第１の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。以上説明した非接触コネクタシステムを備えた電力伝送システムを構成することができる。電力伝送システムは、送信側の非接触コネクタ装置を備えた送電側の電力伝送装置と、受信側の非接触コネクタ装置を備えた受電側の電力伝送装置からなるものとする。図２８を参照すると、送電側の電力伝送装置において、送信コイル１（図１）は送電回路１０２に接続され、送電回路１０２は電源１０１に接続される。受電側の電力伝送装置において、受信コイル２（図１）は受電回路１０３に接続され、受電回路１０３は負荷１０４（例えば電池など）に接続される。送信コイル１に電力が供給されると送信コイル１に電流が流れ、その電流により形成される送信コイル１の周囲の電磁界により受信コイル２に誘導起電力が生じ、受信コイル２に誘導電流が流れる。この誘導電流を負荷１０４で取り出すことにより、送信コイル１及び受信コイル２の間で電力を伝送することができる。

図２９は、図２５の電力伝送システムにおける送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置の構成を示す断面図である。本実施形態の電力伝送システムを実施する場合（例えば無線充電など）、送電側の電力伝送装置（充電器）の筐体４の内部に、送信コイル１及び磁性体３を備え、受電側の電力伝送装置（充電される機器）の筐体５の内部には、受信コイル２のみを備えることが望ましい。受信コイル２は、受電側の電力伝送装置を送電側の電力伝送装置に近接させたときに、磁性体３における送信コイル１が設けられた側の面（第１の面）に対向する面（第２の面）上の所定領域の周囲に巻線を巻回するように設けられる。電力伝送を行わないときは、受信コイル２は、送信コイル１及び磁性体３から離れている。受電側の電力伝送装置を送電側の電力伝送装置に近接させて電力伝送を行うとき、受信コイル２は、少なくとも受信コイル２の巻線が存在する領域にわたって磁性体３に近接し、受信コイル２を磁性体３に近接させることにより受信コイル２の自己インダクタンスが増大する。その後は、図１等を参照して説明した場合と同様に動作する。

図３０は、図２５の電力伝送システムにおける送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置の変形例の構成を示す断面図である。磁性体は、送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置との両方に設けられていてもよい。図３０の電力伝送システムでは、送電側の電力伝送装置の筐体４の内部に、送信コイル１及び磁性体３ａを備え、受電側の電力伝送装置の筐体５の内部に、磁性体３ｂ及び受信コイル２のみを備えている。電力伝送を行わないときは、受信コイル２は、送信コイル１から離れている。受電側の電力伝送装置を送電側の電力伝送装置に近接させて電力伝送を行うとき、受信コイル２は送信コイル１に電磁的に結合する。磁性体３ａ，３ｂにより送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれの自己インダクタンスを増大させることにより、送信コイル１及び受信コイル２の間の結合係数を、送信コイル１から受信コイル２への伝送効率の周波数特性が２峰性かつ狭帯域の特性から単峰性かつ広帯域の特性に変化するように、低下させて設定することができる。その後は、図１等を参照して説明した場合と同様に動作する。

図２９及び図３０において、筐体４，５は、例えば、ＡＢＳ樹脂やゴムなどの誘電体あるいは絶縁体、あるいはその両方で構成される。なお、筐体４，５の少なくとも一方を磁性体材料で構成することも可能である。例えば、磁性体粉末を筐体（誘電体）に混ぜ込むことで、筐体の比透磁率を増加させることができる。さらに、磁性体３を、磁性体材料で構成された筐体４あるいは５と一体化することも可能である。磁性体３と筐体４あるいは５とを一体化することにより、電力伝送システムを薄型化できるという効果があり、また、部材が削減されるので、コストの低減と軽量化も見込まれる。

本実施形態の電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル１及び受信コイル２の間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で電力を伝送することができる。

第２の実施形態．
図３１は、本発明の第２の実施形態に係る信号伝送システムの概略構成を示すブロック図である。以上説明した非接触コネクタシステムを用いて、電力を伝送することに代えて、信号を伝送してもよい。信号伝送システムは、送信側の非接触コネクタ装置を備えた送信側の情報伝送装置と、受信側の非接触コネクタ装置を備えた受信側の情報伝送装置とからなるものとする。図３１を参照すると、送信側の情報伝送装置において、送信コイル１（図１）は送信回路１１２に接続され、送信回路１１２は信号源１１１に接続される。受信側の情報伝送装置において、受信コイル２（図１）は受信回路１１３に接続される。信号伝送システムにおける送信側の情報伝送装置及び受信側の情報伝送装置は、図２９又は図３０に示す送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置と同様に構成することができる。本実施形態の情報伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル１及び受信コイル２の間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で情報を伝送することができる。

第３の実施形態．
図３２は、本発明の第３の実施形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。図３３は、図３２の誘導加熱装置と鍋１２３の構成を示す断面図である。以上説明した電力伝送システムの原理を用いて、誘導加熱装置を構成することができる。

図３２を参照すると、誘導加熱装置において、誘導加熱コイルとしての送信コイル１（図１）は調理回路１２２に接続され、調理回路１２２は電源１２１に接続される。さらに、図１の受信コイル２に代えて、鍋１２３等の誘導加熱用調理容器が設けられる。鍋１２３は、送信コイル１に電磁的に結合するように送信コイル１に近接して設けられる。なお、送信コイル１と鍋１２３との間の電磁的結合により、送信コイル１に電流が流れると、その電流により形成される送信コイル１の周囲の電磁界により鍋１２３の底面に誘導起電力が生じ、誘導された渦電流が鍋１２３の底面に流れる。この渦電流を等価的に損失性のコイルと見なせるので、鍋１２３の自己インダクタンスと、送信コイル１及び鍋１２３の間の相互インダクタンスとを定義することができる。送信コイル１は、水平な第１の面上の所定領域の周囲に巻線を巻回するように第１の面に沿って設けられる。誘導加熱装置は、第１の面と、第１の面の上方に近接して対向しかつ鍋１２３の底面が位置する第２の面との間において、少なくとも送信コイル１の巻線及び鍋１２３の底面が存在する領域にわたって送信コイル１及び鍋１２３の底面に電磁的に結合するように近接して設けられた磁性体３を備える。送信コイル１に磁性体３を近接させることにより送信コイル１の自己インダクタンスを増大させ、鍋１２３の底面に磁性体３を近接させることにより鍋１２３の自己インダクタンスを増大させる。

本実施形態の誘導加熱装置によれば、送信コイル１及び鍋１２３のそれぞれの自己インダクタンスを増大させることにより、送信コイル１及び鍋１２３の間の結合係数を、送信コイル１から鍋１２３への伝送効率の周波数特性が２峰性かつ狭帯域の特性から単峰性かつ広帯域の特性に変化するように、低下させて設定することを特徴とする。本実施形態の誘導加熱装置によれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル１及び鍋１２３の間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で鍋１２３を加熱することができる。

変形例．
以下、図３４〜図３６を参照して、本発明の実施形態の変形例について説明する。図１他を参照して説明した実施形態及び実施例では、送信コイル１の巻線は第１の面に沿って単層で巻回され、受信コイル２の巻線は第２の面に沿って単層で巻回されていたが、巻線は多層で巻回されてもよい。

図３４は、図１の送信コイル１及び受信コイル２の変形例を示す断面図である。図３５は、図３４の送信コイル１の巻き方を説明する概略図である。図３４及び図３５では、送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれが２層で巻回されている場合を示す。送信コイル１の各層の巻線１ａ，１ｂは、互いに逆向きに巻回され、端子Ｐｂ，Ｐｄで接続することにより、巻線１ａ，１ｂは互いに直列に接続される。巻線１ａ，１ｂを直列接続することにより、送信コイル１のインダクタンスを増大させることができるという効果がある。受信コイル２についても同様である。

図３６は、図３４の送信コイル１の巻き方の変形例を説明する概略図である。送信コイル１の各層の巻線１ａ，１ｂは、同じ向きに巻回され、端子Ｐａ，Ｐｃで接続し、さらに端子Ｐｂ，Ｐｄで接続することにより、巻線１ａ，１ｂは互いに並列に接続される。巻線１ａ，１ｂを並列接続することにより、送信コイル２の抵抗を低減できるという効果がある。

なお、送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれの全長は、動作波長に対して大幅に短くされる必要がある。

送信コイル１及び受信コイル２の少なくとも一方が多層で巻回されていてもよい。また、送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれ又は少なくとも一方が３層以上で巻回されていてもよい。

図３７は、図１の送信側及び受信側の非接触コネクタ装置の変形例を示す断面図である。非接触コネクタ装置はプリント配線基板上に形成されてもよい。この場合、送信コイル１及び受信コイル２はそれぞれ、誘電体基板７，８上の導体パターンとして形成される。送信コイル１及び誘電体基板７上には磁性体３ａが塗布され、受信コイル２及び誘電体基板８上（図３７では誘電体基板８の下面）には磁性体３ｂが塗布される。このように、プリント配線基板上の送信コイル１及び受信コイル２を磁性体３ａ，３ｂと一体的に形成することで、高い強度及び低コストの非接触コネクタ装置を提供することができる。また、送信側及び受信側の非接触コネクタ装置の少なくとも一方において、プリント配線基板上の送信コイル１又は受信コイル２を磁性体と一体的に形成してもよい。

また、整合のために送信コイル１及び受信コイル２に装荷するキャパシタは、図１４では送信コイル１及び受信コイル２に対して並列に接続していたが、図４に示すように直列に接続してもよい。また、他の整合回路を用いてもよい。

ここで、本発明の動作原理について補足する。本発明との対比として送信アンテナから受信アンテナに電波を放射する場合と考えると、送信アンテナと受信アンテナとは互いに離隔し、電磁的に非結合の状態にあるので、アンテナ間の相対的関係が変わっても帯域幅は変化しない。しかしながら、非接触コネクタシステムでは、送信コイル及び受信コイルが互いに近接し、電気的に結合しているので、結合の状態に応じて帯域幅が変動する。従って、狭帯域に設計してしまうと、送信コイル及び受信コイルの間の距離が少し変化しただけで、伝送効率が最大になる周波数がシフトし、その結果、伝送効率が低下してしまう。本発明の実施形態で説明した非接触コネクタシステムでは、送信コイル１及び受信コイル２の間に磁性体３を設けたことにより広帯域動作を実現し、その結果、多少の位置ずれによって伝送効率が最大になる周波数が変化しても（図１７を参照）、伝送効率の変動を抑制することができる。このように、広帯域動作を実現することにより、送信コイル１及び受信コイル２の間に位置ずれが生じたときでも、所望周波数において伝送効率を維持することができる。

従来技術の中には、送信コイルと受信コイルとの間に磁性体を設けるものがあり、例えば特許文献１に開示された発明が知られている。しかしながら、特許文献１の発明は、本願の図８と同様に、送信コイルと受信コイルとの間の結合係数を増大させるために磁性体を用いているので、本願発明で磁性体を用いる目的、すなわち送信コイル１及び受信コイル２のそれぞれの自己インダクタンスを増大させて結合係数を低下させるための使用とはまったく異なる。特許文献１の発明で用いている磁性体は、結合係数を増大させるために高い比透磁率を有する。一方、本願発明で用いている磁性体は、比較的小さい比透磁率を有することが可能である。

本発明の非接触コネクタ装置及び非接触コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で電力を伝送することができる。

本発明の情報伝送装置及び情報伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で情報を伝送することができる。

本発明の誘導加熱装置によれば、非常に簡単な構成でありながら、誘導加熱コイル及び調理容器の間に位置ずれが生じても、安定した伝送効率で調理容器を加熱することができる。

１，１ａ，１ｂ…送信コイル、
２，２ａ，２ｂ…受信コイル、
３，３ａ，３ｂ，６，１１，１３…磁性体、
４，５…筐体、
７，８…誘電体基板、
１２，１４…金属シールド、
１０１…電源、
１０２…送電回路、
１０３…受電回路、
１０４…負荷、
１１１…信号源、
１１２…送信回路、
１１３…受信回路、
１２１…電源、
１２２…調理回路、
１２３…鍋、
Ｃ１〜Ｃ４…容量、
Ｌ１，Ｌ２…自己インダクタンス、
Ｍ…相互インダクタンス、
Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ…端子、
Ｒ１，Ｒ２…抵抗、
Ｑ，Ｑ１…信号源、
ｚ０１，ｚ０２，Ｚ１…負荷インピーダンス。

Claims (6)

1. 調理容器と電磁的に結合するように近接して設けられた誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置において、
   上記誘導加熱コイルの巻線は水平な第１の面上で巻回され、
   上記誘導加熱装置は、
   上記第１の面と、上記第１の面の上方に近接して対向しかつ上記調理容器の底面が位置する第２の面との間において、少なくとも上記誘導加熱コイルの巻線及び上記調理容器の底面が存在する領域にわたって上記誘導加熱コイル及び上記調理容器の底面に電磁的に結合するように近接して設けられた磁性体を備え、
   上記誘導加熱コイルに上記磁性体を近接させることにより上記誘導加熱コイルの自己インダクタンスを増大させ、上記調理容器の底面を上記磁性体に近接させることにより上記調理容器の自己インダクタンスを増大させることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 上記誘導加熱コイル及び上記調理容器のそれぞれの自己インダクタンスを増大させることにより、上記誘導加熱コイル及び上記調理容器の間の結合係数を、上記誘導加熱コイルから上記調理容器への伝送効率の周波数特性が２峰性かつ狭帯域の特性から単峰性かつ広帯域の特性に変化するように、低下させて設定することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 上記誘導加熱コイルの巻線は上記第１の面に沿って単層で巻回されることを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱装置。
4. 上記誘導加熱コイルの巻線は上記第１の面に沿って多層で巻回され、上記多層の巻線のうちの各層の巻線は互いに直列に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱装置。
5. 上記誘導加熱コイルの巻線は上記第１の面に沿って多層で巻回され、上記多層の巻線のうちの各層の巻線は互いに並列に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱装置。
6. 上記誘導加熱コイルの巻線は、上記第１の面に沿った誘電体基板上の導体パターンとして形成され、
   上記磁性体は、上記誘導加熱コイル及び上記誘電体基板と一体的に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱装置。

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