JP2013135523A - Wireless power feeding device - Google Patents

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Kenichi Matsushima
健一 松島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enlarge a range for the size of a power receiver to which a power feeder is capable of supplying power, by enabling a wireless power feeding device to supply power also to a power receiver smaller than a power receiver size assumed by the power feeder.SOLUTION: A converter 130 is provided between a power feeder 110 and a power receiver 120. The converter 130 is functioned by a magnetic circuit to enlarge an apparent size of the power receiver 120 from the power feeder 110.

Description

本発明は、接続せずに近傍界に電力を伝送する、電磁誘導方式のワイヤレス給電に関する。   The present invention relates to an electromagnetic induction type wireless power feeding that transmits power to the near field without being connected.

接続せずに近傍界に電力を伝送する方法として、磁界共鳴方式や電界共鳴方式や電磁誘導方式などが広く知られている。磁界共鳴方式では、給電器と受電器の空間的な位置関係の自由度が高く、精度よく位置を合わせることが困難な車などの移動体への給電に関する開発が活発に行われている。また、平らな接触面を持たない3Dメガネなどに磁気共鳴方式を用いて給電する製品も開発されている。電界共鳴方式は、テーブルや壁などに給電器を埋め込み受電器と密着して給電する方法やタブレット端末などに給電する方法などが開発されている。   As a method for transmitting power to the near field without connection, a magnetic field resonance method, an electric field resonance method, an electromagnetic induction method, and the like are widely known. In the magnetic field resonance method, development relating to power feeding to a moving body such as a car, which has a high degree of freedom in the spatial positional relationship between the power feeder and the power receiver and is difficult to accurately align, has been actively performed. In addition, products have been developed that use a magnetic resonance method to feed power to 3D glasses that do not have a flat contact surface. As the electric field resonance method, a method in which a power feeder is embedded in a table, a wall, or the like and is in close contact with the power receiver or a method in which power is supplied to a tablet terminal or the like has been developed.

一方、電磁誘導方式では、標準化の動きが進んでいる。従来、2次電池を内蔵している携帯機器に充電する場合、給電器として携帯機器毎に異なる専用のAC変換器などを用いていた。このため、AC変換器の数が多くなり、ユーザーは対応するAC変換器を見出してコネクタを接続するという、煩雑な作業を行う必要があった。   On the other hand, in the electromagnetic induction system, the standardization movement is progressing. Conventionally, when charging a portable device incorporating a secondary battery, a dedicated AC converter or the like that is different for each portable device has been used as a power feeder. For this reason, the number of AC converters increases, and the user has to perform a complicated operation of finding a corresponding AC converter and connecting a connector.

これを、ワイヤレス給電の仕様を標準化して、コネクタに接続することなしに汎用的な給電器に給電することにより、利便性を大幅に改善することができる。標準化された仕様を満たす任意の給電器の上に標準化された仕様を満たす任意の受電器を置くだけで給電することができるため、ユーザーの利便性は大幅に改善される。   By standardizing the wireless power supply specification and supplying power to a general-purpose power supply without connecting to the connector, the convenience can be greatly improved. Since power can be supplied simply by placing any power receiver that satisfies the standardized specification on top of any power supply that satisfies the standardized specification, the convenience for the user is greatly improved.

このような従来のワイヤレス給電装置601の一例を、図6を基に説明する。図において、ワイヤレス給電装置601は、給電器110と受電器620により構成される(例えば、特許文献1参照)。   An example of such a conventional wireless power supply apparatus 601 will be described with reference to FIG. In the figure, a wireless power feeding apparatus 601 includes a power feeder 110 and a power receiver 620 (see, for example, Patent Document 1).

給電器110は、給電面111と検出電極112と検出手段113と第1電力変換手段114と1次コイル115と第1制御手段116とにより構成される。給電器110では、上部の給電面111に給電対象である受電器620が置かれると、検出電極112からの電気信号の変化を検出手段113が検出する。第1制御手段116は、検出手段113が受電器620が置かれたことを検出すると、第1電力変換手段114により給電を開始する。第1電力変換手段114は、外部からの電源あるいは内部の電池に蓄えられている電力を高周波の電力に変換する。変換された電力は、1次コイル115により磁束に変換されて接触面から出力される。   The power feeder 110 includes a power feeding surface 111, a detection electrode 112, detection means 113, first power conversion means 114, a primary coil 115, and first control means 116. In the power feeder 110, when the power receiver 620 to be fed is placed on the upper power feeding surface 111, the detection unit 113 detects a change in the electrical signal from the detection electrode 112. When the detection unit 113 detects that the power receiver 620 is placed, the first control unit 116 starts power supply by the first power conversion unit 114. The first power conversion means 114 converts power stored in an external power source or an internal battery into high-frequency power. The converted electric power is converted into magnetic flux by the primary coil 115 and output from the contact surface.

受電器620は、受電面121と2次コイル625と第2電力変換手段124と蓄電手段127と第2制御手段126とにより構成される。1次コイル115に対向するように配置されている2次コイル625は、1次コイル115と相互インダクタンスにより結合し、1次コイルからの磁束を高周波の電力に変換する。2次コイル625からの高周波電力は第2電力変換手段124で直流の電力に変換される。つまり、1次コイル115と2次コイル625の相互インダクタンスにより電力が伝送される。伝送された電力は、受電器620全体の回路の電源として使用されるとともに、蓄電手段127に蓄えられる。第2制御手段126は、蓄電手段127の状態の管理や、給電器110との通信の制御などを行う。給電器110との通信は、例えば、受電器620の第2電力変換手段124の負荷を変えるなどにより行い、給電対象の確認や電力の制御を行うようにしていた。   The power receiver 620 includes a power receiving surface 121, a secondary coil 625, second power conversion means 124, power storage means 127, and second control means 126. The secondary coil 625 disposed so as to face the primary coil 115 is coupled to the primary coil 115 by mutual inductance, and converts the magnetic flux from the primary coil into high-frequency power. The high frequency power from the secondary coil 625 is converted into DC power by the second power conversion means 124. That is, power is transmitted by the mutual inductance of the primary coil 115 and the secondary coil 625. The transmitted power is used as a power source for the circuit of the entire power receiver 620 and is stored in the power storage unit 127. The second control means 126 performs management of the state of the power storage means 127, control of communication with the power feeder 110, and the like. The communication with the power feeder 110 is performed by, for example, changing the load of the second power conversion unit 124 of the power receiver 620 to check the power supply target and control the power.

ここで、1次コイル115と2次コイル625の相互インダクタンスを大きくして、1次コイル115と2次コイル625の結合係数を高くするためには、1次コイル115と2次コイル625の大きさをほぼ同じにする必要がある。このため、1次コイル115と2次コイル625の大きさは通常ほぼ同じである。具体的には、1次コイルも2次コイルも30mm程度の大きさであった。しかし、2次コイル625は受電器620の中に組み込まれるため、2次コイル625より小さい外形の受電器620を作ることはできない。   Here, in order to increase the mutual inductance between the primary coil 115 and the secondary coil 625 and increase the coupling coefficient between the primary coil 115 and the secondary coil 625, the size of the primary coil 115 and the secondary coil 625 is increased. It should be almost the same. For this reason, the sizes of the primary coil 115 and the secondary coil 625 are generally substantially the same. Specifically, both the primary coil and the secondary coil were about 30 mm in size. However, since the secondary coil 625 is incorporated in the power receiver 620, the power receiver 620 having an outer shape smaller than the secondary coil 625 cannot be formed.

したがって、1次コイル115より小さい受電器620では、2次コイル625は受電器620より更に小さくなるために、結合係数が低下して、効率的な給電が出来ないと言う課題があった。また、給電器110が想定しているより受電器620が小さいと、正規の受電器620として検出されないこともあるという課題もあった。   Therefore, in the power receiver 620 smaller than the primary coil 115, since the secondary coil 625 is further smaller than the power receiver 620, there is a problem that the coupling coefficient is reduced and efficient power feeding cannot be performed. In addition, when the power receiver 620 is smaller than the power feeder 110 assumes, there is a problem that the power receiver 620 may not be detected.

特開2010−183706号公報JP 2010-183706 A

そこで本発明では、以上に示した従来のワイヤレス給電装置の課題を解決し、汎用的な給電器に、給電器が想定しているより小さい2次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの2次コイルの大きさが想定内であるかのように機能することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広くすることのできる変換器を用いたワイヤレス給電装置を提供することである。   Therefore, the present invention solves the problems of the conventional wireless power feeder described above, and even when a power receiver having a secondary coil smaller than that assumed by the power feeder is set in a general-purpose power feeder, To widen the range of the size of the power receiver that can be fed by a general-purpose power feeder by functioning as if the size of the apparent secondary coil from the electrical device is within the assumption. It is an object to provide a wireless power feeding device using a converter capable of performing the above.

給電器から受電器に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送するワイヤレス給電装置において、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する一次コイルを有する給電器と、前記電磁気的なエネルギーから電力を入力する二次コイルを有する受電器と、前記給電器と前記受電器の間に配置され、前記一次コイル及び前記二次コイルと磁気回路を形成する磁性体を有する変換器とによりワイヤレス給電装置を構成する。   In a wireless power feeder that transmits power from a power feeder to a power receiver through electromagnetic energy, a power feeder having a primary coil that converts power into electromagnetic energy and outputs the power, and power from the electromagnetic energy Wireless power feeder comprising: a power receiver having a secondary coil for inputting a power supply; and a converter disposed between the power feeder and the power receiver and having a magnetic body that forms a magnetic circuit with the primary coil and the secondary coil. Configure.

本発明によるワイヤレス給電装置では、汎用的な給電器に、想定外の小さい2次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの2次コイルの大きさが想定内であるかのように機能する変換器を挿入することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広できることである。   In the wireless power feeding apparatus according to the present invention, even when a power receiver having an unexpectedly small secondary coil is set in a general-purpose power feeder, the size of the electromagnetic apparent secondary coil from the power feeder is not assumed. By inserting a converter that functions as if, a general-purpose power feeder can widen the range of the size of the power receiver that can be fed.

本発明に係るワイヤレス給電装置の好適な一実施例を示すブロック構成図1 is a block diagram showing a preferred embodiment of a wireless power supply apparatus according to the present invention. 本発明に係る変換器の構成の一例を示す構成図The block diagram which shows an example of a structure of the converter which concerns on this invention 本発明に係る変換器の機能の一例を示す構成図The block diagram which shows an example of the function of the converter which concerns on this invention 本発明に係る変換器の構成の他の例を示す構成図The block diagram which shows the other example of a structure of the converter which concerns on this invention 本発明に係る変換器の機能の他の例を示す構成図The block diagram which shows the other example of the function of the converter which concerns on this invention 従来のワイヤレス給電装置のブロック構成図Block diagram of a conventional wireless power supply device

本発明によるワイヤレス給電装置は、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器と、電磁気的なエネルギーから電力を入力する受電器と、前記給電器と前記受電器の間に着脱自在に配置され前記給電器からの電磁気的な見かけの大きさが前記受電器より大きくなるように機能する変換器とによりワイヤレス給電装置を構成する。   A wireless power feeder according to the present invention includes a power feeder that converts electric power into electromagnetic energy and outputs the power, a power receiver that inputs electric power from electromagnetic energy, and a detachable device between the power feeder and the power receiver. A wireless power feeder is configured by a converter that is arranged and functions so that an electromagnetic apparent size from the power feeder becomes larger than that of the power receiver.

本実施例の以降の説明では、()を見出しとして用いている。
(ワイヤレス給電装置101)
図1は、本発明によるワイヤレス給電装置101の好適な実施例を示したものである。ワイヤレス給電装置101は、給電器110から受電器120に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送する。
In the following description of the present embodiment, () is used as a heading.
(Wireless power supply apparatus 101)
FIG. 1 shows a preferred embodiment of a wireless power feeder 101 according to the present invention. The wireless power feeder 101 transmits power from the power feeder 110 to the power receiver 120 through electromagnetic energy.

本発明によるワイヤレス給電装置101は、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器110と、電磁気的なエネルギーから電力を入力する受電器120と、前記給電器110と前記受電器120の間に着脱自在に配置され前記給電器110からの電磁気的な見かけの大きさが大きくなるように機能する変換器130とにより構成した。   A wireless power feeder 101 according to the present invention includes a power feeder 110 that converts electric power into electromagnetic energy and outputs the power, a power receiver 120 that receives power from electromagnetic energy, and the power feeder 110 and the power receiver 120. The converter 130 is detachably disposed between the power supply units 110 and functions so as to increase the electromagnetic apparent size.

(給電器110)
給電器110は、給電面111と検出電極112と検出手段113と第1電力変換手段114と1次コイル115と第1制御手段116により構成した。給電器110では、給電面111に給電対象が置かれると、検出電極112からの電気信号の変化を検出手段113が検出する。ここで言う検出対象とは、変換器130に受電器120がセットされたものを言う。第1制御手段116は、検出手段113が給電対象が置かれたことを検出すると、第1電力変換手段114により給電を開始する。第1電力変換手段114は、外部からの電源あるいは内部の電池に蓄えられている電力を高周波の電力に変換する。変換された電力は、1次コイル115により磁気エネルギーに変換して接触面から出力する。
(Power feeder 110)
The power feeder 110 includes a power feeding surface 111, a detection electrode 112, detection means 113, first power conversion means 114, a primary coil 115, and first control means 116. In the power feeder 110, when a power supply target is placed on the power supply surface 111, the detection unit 113 detects a change in the electrical signal from the detection electrode 112. The detection target here refers to the one in which the power receiver 120 is set in the converter 130. When the first control unit 116 detects that the power supply target is placed, the first power conversion unit 114 starts the power supply. The first power conversion means 114 converts power stored in an external power source or an internal battery into high-frequency power. The converted electric power is converted into magnetic energy by the primary coil 115 and output from the contact surface.

なお、本実施例による給電器110は、1次コイルの外径を30mmにした汎用的な給電器で、2次コイルの大きさも同程度に想定している。したがって、従来例に示すように、2次コイルの大きさが30mm程度の受電器に対しては、図6に示すように変換器130なしに、直接受電器620に給電することができる。   The power feeder 110 according to the present embodiment is a general-purpose power feeder having an outer diameter of the primary coil of 30 mm, and the size of the secondary coil is assumed to be approximately the same. Therefore, as shown in the conventional example, a power receiver having a secondary coil with a size of about 30 mm can be directly fed to the power receiver 620 without the converter 130 as shown in FIG.

(受電器120)
受電器120は、受電面121と2次コイル125と第2電力変換手段124と蓄電手段127と第2制御手段126により構成した。2次コイル125は、巻き取りの軸が受電面121に垂直になるように配置され、変換器130を介して1次コイル115と結合し、磁気エネルギーから電力を受電する。2次コイル125で受電した電力は、第2電力変換手段124で直流に変換される。直流に変換された電力は、受電器120全体の回路の電源として使用されるとともに、蓄電手段127に蓄えられる。第2制御手段126は、蓄電手段127の状態の管理や、給電器110との通信の制御などを行う。給電器110との通信は、例えば、受電器120の第2電力変換手段124の負荷を変えるなどにより行う。通信内容は、受電器120が必要とする電力などである。
(Power receiver 120)
The power receiver 120 includes a power receiving surface 121, a secondary coil 125, second power conversion means 124, power storage means 127, and second control means 126. The secondary coil 125 is disposed so that the winding axis is perpendicular to the power receiving surface 121, and is coupled to the primary coil 115 via the converter 130 to receive power from magnetic energy. The power received by the secondary coil 125 is converted into direct current by the second power conversion means 124. The electric power converted into direct current is used as a power source for the circuit of the entire power receiver 120 and is stored in the power storage means 127. The second control means 126 performs management of the state of the power storage means 127, control of communication with the power feeder 110, and the like. Communication with the power feeder 110 is performed, for example, by changing the load of the second power conversion unit 124 of the power receiver 120. The communication content is the power required by the power receiver 120.

図6に示すような従来の受電器620と比較すると、本実施例の受電器120は外形が小さいために、2次コイルを充分大きくできない。しかし、2次コイルの直径が1次コイルの直径の半分以下になると、通常例えば1次コイルで発生した磁界の一部しか2次コイルと錯交しないため、結合係数が小さく、高効率の電力伝送が難しくなることが知られている。本実施例の受電器は、具体的には、腕時計や補聴器などの携帯電子機器や充電式ボタン電池などに内蔵されることが想定される。このため、2次コイルの大きさは1次コイルの大きさの2分の1程度の15mm以下である。したがって、変換器を使わずに給電器の給電面に受電器の受電面が接するように携帯機器を配置しても、高効率の電力伝送は困難である。   Compared with a conventional power receiver 620 as shown in FIG. 6, the power receiver 120 of the present embodiment has a small outer shape, so the secondary coil cannot be made sufficiently large. However, when the diameter of the secondary coil is less than half of the diameter of the primary coil, for example, only a part of the magnetic field generated in the primary coil usually intersects with the secondary coil. It is known that transmission becomes difficult. Specifically, it is assumed that the power receiver of this embodiment is built in a portable electronic device such as a wristwatch or a hearing aid, a rechargeable button battery, or the like. For this reason, the size of the secondary coil is about 15 mm or less, which is about a half of the size of the primary coil. Therefore, even if the portable device is arranged such that the power receiving surface of the power receiver is in contact with the power feeding surface of the power feeder without using a converter, it is difficult to perform high-efficiency power transmission.

(変換器130の構成)
図2に、変換器130の断面構成の一例を示す。変換器130は、給電器110の給電面111に接する変換入力面131と、受電器120の受電面121に接する変換出力面132と、1次コイル115と2次コイル125との相互インダクタンスによる閉ループの磁気回路の2つの経路のうちの一方の経路の磁気抵抗を小さくする円形の第1軟磁性体231と他方の経路の磁気抵抗を小さくする円形の第2軟磁性体232とを主な構成要素とした。閉ループの磁気回路の2つの経路とは、図2の例では、1次コイルの内側から2次コイルの内側への経路と、1次コイルの外側から2次コイルの外側への経路である。
(Configuration of converter 130)
FIG. 2 shows an example of a cross-sectional configuration of the converter 130. The converter 130 includes a conversion input surface 131 in contact with the power supply surface 111 of the power supply 110, a conversion output surface 132 in contact with the power reception surface 121 of the power receiver 120, and a closed loop due to mutual inductance between the primary coil 115 and the secondary coil 125. The circular first soft magnetic body 231 for reducing the magnetic resistance of one of the two paths of the magnetic circuit and the circular second soft magnetic body 232 for reducing the magnetic resistance of the other path are mainly configured. Element. In the example of FIG. 2, the two paths of the closed-loop magnetic circuit are a path from the inside of the primary coil to the inside of the secondary coil, and a path from the outside of the primary coil to the outside of the secondary coil.

図2において、寸法Aは、変換入力面131側の第2軟磁性体の内寸であり、1次コイル115の外寸とほぼ同じ長さとした。同様に、寸法Bは、変換出力面132側の第2軟磁性体の内寸であり、2次コイル125の外寸とほぼ同じ長さとした。したがって、本実施例では、寸法Bは寸法Aの2分の1以下である。
本実施例では、軟磁性体として、フェライトを用いた。軟磁性体が導体の場合には、渦電流を軽減するために軟磁性体を分割することが望ましい。
In FIG. 2, the dimension A is the inner dimension of the second soft magnetic body on the conversion input surface 131 side, and is approximately the same length as the outer dimension of the primary coil 115. Similarly, the dimension B is the inner dimension of the second soft magnetic body on the conversion output surface 132 side, and is approximately the same length as the outer dimension of the secondary coil 125. Therefore, in this embodiment, the dimension B is less than or equal to one half of the dimension A.
In this example, ferrite was used as the soft magnetic material. When the soft magnetic material is a conductor, it is desirable to divide the soft magnetic material in order to reduce eddy currents.

(磁気回路)
図3は、本実施例における磁気回路の一例を示したものである。1次コイル115には、第3軟磁性体311が設けられている。第3軟磁性体311は、断面がE字型となる円形の軟磁性体で、中央の凸部に1次コイル115が巻かれている。同様に、2次コイル125には、第4軟磁性体321が設けられている。第4軟磁性体321は、断面がE字型となる円形の軟磁性体で、中央の凸部に2次コイル125が巻かれている。
(Magnetic circuit)
FIG. 3 shows an example of a magnetic circuit in the present embodiment. The primary coil 115 is provided with a third soft magnetic body 311. The third soft magnetic body 311 is a circular soft magnetic body having an E-shaped cross section, and a primary coil 115 is wound around a central convex portion. Similarly, the secondary coil 125 is provided with a fourth soft magnetic body 321. The fourth soft magnetic body 321 is a circular soft magnetic body having an E-shaped cross section, and a secondary coil 125 is wound around a central convex portion.

給電器110の第3軟磁性体311と変換器130の第1軟磁性体231と第2軟磁性体232と受電器120の第4軟磁性体321は、図3の矢印に示すような磁気回路を構成している。但し、矢印はある瞬間での磁気回路の経路を示すものであり、実際には交番磁界のため矢印の向きには特に意味はない。   The third soft magnetic body 311 of the power feeder 110, the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232 of the converter 130, and the fourth soft magnetic body 321 of the power receiver 120 are magnetic as indicated by arrows in FIG. The circuit is configured. However, the arrow indicates the path of the magnetic circuit at a certain moment, and the direction of the arrow has no particular meaning because it is actually an alternating magnetic field.

このように、1次コイル115を錯交する磁束のほとんどが2次コイル125を錯交するように磁性体を配置することにより、2次コイル125の1次コイル115側からの電磁気的な見かけの大きさが大きくなる。また、1次コイル115と2次コイル125の結合係数が1に近づくため、相互インダクタンスも増大し、電力伝送の効率を改善することができる。   In this way, by arranging the magnetic body so that most of the magnetic flux that interlaces with the primary coil 115 interlaces with the secondary coil 125, the electromagnetic appearance from the primary coil 115 side of the secondary coil 125 is obtained. The size of becomes larger. Moreover, since the coupling coefficient of the primary coil 115 and the secondary coil 125 approaches 1, mutual inductance also increases and the efficiency of electric power transmission can be improved.

なお、磁気回路の磁気抵抗は、軟磁性体の比透磁率が充分大きいため、第3軟磁性体311と第1軟磁性体231のギャップと、第1軟磁性体231と第4軟磁性体321のギャップと、第4軟磁性体321と第2軟磁性体232のギャップと、第2軟磁性体232と第3軟磁性体311のギャップの4つのギャップの磁気抵抗の凡そ総和になる。これらの磁気抵抗を充分小さくすることにより、1次コイル115と2次コイル125の相互インダクタンスを更に増大させることができる。これらの4つのギャップの磁気抵抗を小さくするために、各磁性体は4つのギャップにおいて対向するような外形と位置関係にした。   The magnetic resistance of the magnetic circuit is such that the relative permeability of the soft magnetic material is sufficiently large, so that the gap between the third soft magnetic body 311 and the first soft magnetic body 231, and the first soft magnetic body 231 and the fourth soft magnetic body. It is the total sum of the magnetic resistances of the four gaps of the gap 321, the gap between the fourth soft magnetic body 321 and the second soft magnetic body 232, and the gap between the second soft magnetic body 232 and the third soft magnetic body 311. By making these magnetic resistances sufficiently small, the mutual inductance of the primary coil 115 and the secondary coil 125 can be further increased. In order to reduce the magnetic resistance of these four gaps, each magnetic body was in a positional relationship with the outer shape so as to face each other in the four gaps.

以上に示したように、給電器と受電器との間に変換器を挿入することにより、大きな1次コイル115からの磁束は効率良く小さな2次コイル125と錯交するようになるため、給電器110からの電磁気的な受電器120の見かけの大きさが大きく広がるように機能する。ここで、電磁気的な見かけの大きさとは、具体的には、2次コイル125と錯交する磁束が給電面111から出入りする範囲である。   As described above, by inserting a converter between the power feeder and the power receiver, the magnetic flux from the large primary coil 115 efficiently interlaces with the small secondary coil 125. It functions so that the apparent size of the electromagnetic power receiver 120 from the electric device 110 is greatly expanded. Here, the electromagnetic apparent size is specifically a range in which the magnetic flux intermingled with the secondary coil 125 enters and exits the power supply surface 111.

(漏れ磁束の軽減)
また、第2軟磁性体232の内側で変換出力面から遠い方の角331が面取りされているのは、第1軟磁性体231と第2軟磁性体232との間の磁気抵抗を大きくし、漏れ磁束を少なくすることにより、1次コイル115と2次コイル125の結合係数を大きくするためのものである。このように、漏れ磁束がなるべく小さくなるように、第1軟磁性体231と第2軟磁性体232の直接の磁気抵抗がなるべく大きくなるような構成にする。
このため、図3に示す構成の変換器130では、ある程度の高さが必要である。
(Reduction of leakage magnetic flux)
Also, the corner 331 that is farther from the conversion output surface inside the second soft magnetic body 232 is chamfered, which increases the magnetoresistance between the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232. This is to increase the coupling coefficient between the primary coil 115 and the secondary coil 125 by reducing the leakage magnetic flux. In this way, the configuration is such that the direct magnetic resistance of the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232 is as large as possible so that the leakage magnetic flux is as small as possible.
For this reason, the converter 130 having the configuration shown in FIG. 3 requires a certain height.

(他の軟磁性体の構成)
以上に、4つの軟磁性体231,232,311,321が、同一の軸を共有する円形となる場合に磁気抵抗が最小になる場合の例を示したが、この限りではない。図示しないが、例えば1次コイル115が巻かれている第3軟磁性体311と、2次コイル125が巻かれている第4軟磁性体321の円形の軸がずれている場合でも、例えば第1軟磁性体231と第2軟磁性体232とが偏心していることにより、給電面と変換入力面が接する面において第1軟磁性体231と第2軟磁性体232が第3軟磁性体311と対面し、変換出力面と受電面が接する面において第1軟磁性体231と第2軟磁性体232が第4軟磁性体321に対面するようにすればよい。
(Configuration of other soft magnetic materials)
The example in which the magnetic resistance is minimized when the four soft magnetic bodies 231, 232, 311, 321 have a circular shape sharing the same axis has been described above, but this is not restrictive. Although not shown, for example, even when the circular axes of the third soft magnetic body 311 around which the primary coil 115 is wound and the fourth soft magnetic body 321 around which the secondary coil 125 is wound are displaced, Since the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232 are decentered, the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232 are in the third soft magnetic body 311 on the surface where the power feeding surface and the conversion input surface are in contact with each other. And the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232 may face the fourth soft magnetic body 321 on the surface where the conversion output surface and the power receiving surface are in contact with each other.

また、以上に4つの軟磁性体231,232,311,321が円形である場合の例を示したが、この限りではない。例えば、1次コイル115と2次コイル125と4つの磁性体231,232,311,321が方形であっても良い。   Moreover, although the example in the case where the four soft magnetic bodies 231, 232, 311, 321 are circular has been described above, this is not restrictive. For example, the primary coil 115, the secondary coil 125, and the four magnetic bodies 231, 232, 311 and 321 may be rectangular.

(位置合わせ方法)
変換器130は、給電器110と受電器120の間に着脱自在に配置されるが、4つのギャップの磁気抵抗を最小にして効率的に給電するためには、給電器110と変換器130の位置及び変換器130と受電器120を望ましい位置関係にする必要がある。このための給電器110と変換器130の位置合わせは、図示しない表示されたガイドに合わせるようにしたが、凹凸によるガイドに合わせるようにしても良いし、磁石の力で位置を合わせるようにしても良い。変換器130と受電器102との位置合わせについても、同様である。
(Positioning method)
The converter 130 is detachably disposed between the power feeder 110 and the power receiver 120, but in order to efficiently supply power while minimizing the magnetic resistance of the four gaps, the power converter 110 and the converter 130 are connected to each other. The position and converter 130 and the power receiver 120 need to have a desired positional relationship. For this purpose, the power supply 110 and the converter 130 are aligned with a displayed guide (not shown), but may be aligned with a guide with unevenness or may be aligned with the force of a magnet. Also good. The same applies to the alignment between the converter 130 and the power receiver 102.

利用者の利便性を高めるためには、変換器も汎用的であることが望ましく、受電器が異なっても同一の変換器を使えるように、位置合わせ手段は統一されていることが望ましい。   In order to enhance the convenience for the user, it is desirable that the converter is also general-purpose, and it is desirable that the positioning means be unified so that the same converter can be used even if the power receivers are different.

(第3軟磁性体と第4軟磁性体が平らな場合)
図4に第3軟磁性体411と第4軟磁性体421の他の構成を示す。第3軟磁性体411と第4軟磁性体421は、必ずしもE字型である必要はない。図4に示すように、1次コイル115や2次コイル125の厚みが薄い場合には、例えば平らな円形でも良い。この場合には、E字型の場合より前述の4つのギャップは長くなり、磁気抵抗は大きくなってしまう。意図していた経路の磁気抵抗が大きくなると、相対的に磁気抵抗の比率が低下した例えば、第1軟磁性体231と第2軟磁性体232の間での漏れ磁束などにより、1次コイル115と2次コイル125の結合係数が小さくなり、相互インダクタンスも小さくなってしまう。それでも、変換器がない場合には凡そ2次コイルの面積の比率分結合係数や相互インダクタンスは低下してしまうため、変換器により結合係数や相互インダクタンスは改善される。
(When the 3rd and 4th soft magnetic bodies are flat)
FIG. 4 shows another configuration of the third soft magnetic body 411 and the fourth soft magnetic body 421. The third soft magnetic body 411 and the fourth soft magnetic body 421 are not necessarily E-shaped. As shown in FIG. 4, when the primary coil 115 and the secondary coil 125 are thin, for example, a flat circle may be used. In this case, the above-mentioned four gaps are longer than in the case of the E-shape, and the magnetic resistance is increased. When the magnetic resistance of the intended path is increased, the ratio of the magnetic resistance is relatively decreased. For example, the primary coil 115 is caused by a leakage magnetic flux between the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232. As a result, the coupling coefficient of the secondary coil 125 decreases, and the mutual inductance also decreases. Still, when there is no converter, the coupling coefficient and the mutual inductance are reduced by the ratio of the area of the secondary coil. Therefore, the converter improves the coupling coefficient and the mutual inductance.

(給電対象の検出)
図1に示す給電器110の検出電極112は、2次元の座標に対応して配置した。したがって、各検出電極からの信号の変化から、検出手段113は給電対象の位置と大きさを検出することができる。検出した給電対象の大きさが所定の大きさより小さい場合には、異物の可能性があるため、給電を行わないようになっている。検出電極112と検出手段113による給電対象の検出は、静電容量の変化によって行うようにした。第1軟磁性体231と第2軟磁性体232はフェライトのため、0.1〜1Ωm程度の体積抵抗率を持つため、そのまま静電容量の変化により検出することができる。変換器130は、給電器110が想定している受電器の大きさのため、正規の給電対象として検出することができる。つまり、給電対象の検出においても、給電器110からの変換器130を介した受電器120の電磁気的な見かけの大きさを大きくすることができる。
(Detection of power supply target)
The detection electrodes 112 of the power feeder 110 shown in FIG. 1 are arranged corresponding to two-dimensional coordinates. Therefore, the detection means 113 can detect the position and size of the power supply target from the change in the signal from each detection electrode. When the detected power supply target size is smaller than a predetermined size, there is a possibility of foreign matter, so power supply is not performed. The detection of the power supply target by the detection electrode 112 and the detection means 113 is performed by a change in capacitance. Since the first soft magnetic body 231 and the second soft magnetic body 232 are ferrite and have a volume resistivity of about 0.1 to 1 Ωm, they can be detected as they are due to changes in capacitance. The converter 130 can be detected as a regular power supply target because of the size of the power receiver assumed by the power supply 110. That is, also in the detection of the power supply target, it is possible to increase the electromagnetic apparent size of the power receiver 120 from the power feeder 110 via the converter 130.

給電対象の検出は必ずしも静電容量の変化による方法である必要はなく、電磁誘導による共振周波数の変化などを用いてもよい。   Detection of the power supply target is not necessarily a method based on a change in capacitance, and a change in resonance frequency due to electromagnetic induction may be used.

また、図1では検出電極112により給電対象を検出する場合の例を示したが、給電器110と受電器120の間に通信手段がある場合などには、検出電極112は必ずしも設ける必要がない。ここで言う通信手段とは、例えば受電器側への給電のインピーダンスによる変調や、通信用の回路やコイルが独立して存在する場合などである。   In addition, although an example in which a power supply target is detected by the detection electrode 112 is illustrated in FIG. 1, the detection electrode 112 is not necessarily provided when there is a communication unit between the power feeder 110 and the power receiver 120. . The communication means referred to here includes, for example, modulation due to the impedance of power feeding to the power receiver side, or a case where a communication circuit or coil exists independently.

(磁気回路の他の構成例)
以上に、1次コイル115と2次コイル125との相互インダクタンスによる閉ループの磁気回路の変換器における2つの経路として、1次コイルの内側から2次コイルの内側への経路と、1次コイルの外側から2次コイルの外側への経路を対応させた場合の例を示したがこの限りではない。例えば、図5に示すように、1次コイル115を貫通して両端から延びる第3軟磁性体511の両端が各々給電面111に接近し、2次コイル125を貫通して両端から延びる第4軟磁性体521の両端が各々受電面121に接近している構造の場合には、変換器130における磁気回路の2つの経路として、1次コイルと2次コイルの結合を強くするように、第3軟磁性体511の給電面111への一方の接近箇所と第4軟磁性体521の受電面121への一方の接近箇所の両方に対面するように第1軟磁性体531を設け、同様に第3軟磁性体511の給電面111への他方の接近箇所と第4軟磁性体521の受電面121への他方の接近箇所の両方に対面するように第2軟磁性体532を設けるようにすればよい。
(Other configuration examples of magnetic circuit)
As described above, the two paths in the converter of the closed-loop magnetic circuit due to the mutual inductance of the primary coil 115 and the secondary coil 125 are the path from the inside of the primary coil to the inside of the secondary coil, and Although the example in the case of making the path | route from the outer side to the outer side of a secondary coil shown was shown, it is not this limitation. For example, as shown in FIG. 5, fourth ends extending from both ends of the third soft magnetic body 511 extending through the primary coil 115 and extending from both ends approach the power feeding surface 111 respectively. In the case of a structure in which both ends of the soft magnetic body 521 are close to the power receiving surface 121, as the two paths of the magnetic circuit in the converter 130, The first soft magnetic body 531 is provided so as to face both the one approaching place to the power feeding surface 111 of the three soft magnetic bodies 511 and the one approaching place to the power receiving face 121 of the fourth soft magnetic body 521, and similarly The second soft magnetic body 532 is provided so as to face both the other approaching position of the third soft magnetic body 511 to the power feeding surface 111 and the other approaching position of the fourth soft magnetic body 521 to the power receiving surface 121. do it.

但し、この場合には各磁性体は円形でないことは言うまでもない。この場合には、図5の矢印で示すよう、4つの磁性体による磁気回路が構成され、第3軟磁性体511の大きさに対して、受電器120が小さい場合でも、1次コイル115と2次コイル125の結合係数を1に近づけることにより、相互インダクタンスを大きくすることができる。この場合も、前述の場合と同様に、矢印は磁気回路の経路を示すもので、矢印の向きには意味がない。   However, it goes without saying that in this case, each magnetic body is not circular. In this case, as shown by the arrows in FIG. 5, a magnetic circuit including four magnetic bodies is configured, and even when the power receiver 120 is smaller than the size of the third soft magnetic body 511, By making the coupling coefficient of the secondary coil 125 close to 1, the mutual inductance can be increased. In this case, as in the case described above, the arrow indicates the path of the magnetic circuit, and the direction of the arrow has no meaning.

(まとめ)
以上に示したように、本発明によるワイヤレス給電装置では、汎用的な給電器に、想定外の小さい2次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの2次コイルの大きさが想定内であるかのように機能することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広くすることができる。
なお、本実施例では具体的には示さないが、本発明の考え方を適用すると、電界結合によるワイヤレス給電においても、同様の構成により同様の効果を得ることが出来る。
(Summary)
As described above, in the wireless power feeder according to the present invention, even when a power receiver having an unexpectedly small secondary coil is set in a general-purpose power feeder, an electromagnetic apparent secondary from the power feeder. By functioning as if the size of the coil is within the assumption, the range of the size of the power receiver that can be fed by a general-purpose power feeder can be widened.
Although not specifically shown in the present embodiment, when the concept of the present invention is applied, the same effect can be obtained by the same configuration even in wireless power feeding by electric field coupling.

101 ワイヤレス給電装置
110 給電器
111 給電面
112 検出電極
113 検出手段
114 第1電力変換手段
115 1次コイル
116 第1制御手段
120 受電器
121 受電面
124 第2電力変換手段
125 2次コイル
126 第2制御手段
127 蓄電手段
130 変換器
131 変換入力面
132 変換出力面
231,531 第1軟磁性体
232,532 第2軟磁性体
311,411,511 第3軟磁性体
321,421,521 第4軟磁性体
601 従来のワイヤレス給電装置
620 従来の受電器
625 従来の2次コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Wireless power feeder 110 Power feeder 111 Power feeding surface 112 Detection electrode 113 Detection means 114 First power conversion means 115 Primary coil 116 First control means 120 Power receiver 121 Power reception surface 124 Second power conversion means 125 Secondary coil 126 Second Control means 127 Power storage means 130 Converter 131 Conversion input surface 132 Conversion output surfaces 231, 531 First soft magnetic bodies 232, 532 Second soft magnetic bodies 311, 411, 511 Third soft magnetic bodies 321, 421, 521 Fourth soft Magnetic body 601 Conventional wireless power feeder 620 Conventional power receiver 625 Conventional secondary coil

Claims (6)

給電器から受電器に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送するワイヤレス給電装置において、
電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する一次コイルを有する給電器と、
前記電磁気的なエネルギーから電力を入力する二次コイルを有する受電器と、
前記給電器と前記受電器の間に配置され、前記一次コイル及び前記二次コイルと磁気回路を形成する磁性体を有する変換器と、からなることを特徴とするワイヤレス給電装置。
In a wireless power feeder that transmits electric power from a power feeder to a power receiver via electromagnetic energy,
A power feeder having a primary coil that converts electric power into electromagnetic energy and outputs it;
A power receiver having a secondary coil for inputting power from the electromagnetic energy;
A wireless power feeder, comprising: a converter disposed between the power feeder and the power receiver and having a magnetic body that forms a magnetic circuit with the primary coil and the secondary coil.
前記変換器は、前記給電器が電気エネルギーと磁気エネルギーを変換する1次コイルと前記受電器が電気エネルギーと磁気エネルギーを変換する2次コイルを結合する閉ループである磁気回路の一方の経路の磁気抵抗を小さくする第1軟磁性体と、他方の経路の磁気抵抗を小さくする第2軟磁性体とを有することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。   The converter is a magnetic circuit in one path of a magnetic circuit that is a closed loop in which a primary coil that converts electrical energy and magnetic energy is connected to a power source and a secondary coil that converts electrical energy and magnetic energy is a power receiver. The wireless power feeding apparatus according to claim 1, further comprising: a first soft magnetic body that reduces resistance and a second soft magnetic body that reduces magnetic resistance of the other path. 前記変換器は、前記一次コイルの内側と前記二次コイルの内側との間の磁気抵抗を小さくする第一軟磁性体と、前記一次コイルの外側と前記二次コイルの外側との間の磁気抵抗を小さくする第二軟磁性体とを有することを特徴とする請求項2記載のワイヤレス給電装置。   The converter includes a first soft magnetic body that reduces a magnetic resistance between the inner side of the primary coil and the inner side of the secondary coil, and a magnetic field between the outer side of the primary coil and the outer side of the secondary coil. The wireless power feeder according to claim 2, further comprising a second soft magnetic body that reduces resistance. 前記第1軟磁性体の受電器側の内寸が給電器側の内寸の2分の1以下であることを特徴とする請求項3に記載のワイヤレス給電装置。   4. The wireless power feeder according to claim 3, wherein an inner dimension of the first soft magnetic body on a power receiver side is equal to or less than a half of an inner dimension of the power feeder side. 前記2次コイルの大きさが15mm以下であることを特徴とする請求項3に記載のワイヤレス給電装置。   The wireless power feeder according to claim 3, wherein a size of the secondary coil is 15 mm or less. 前記受電器は、携帯電子機器もしくは充電式ボタン電池であることを特徴とする請求項1から5のうちのいずれか1項に記載のワイヤレス給電装置。   The wireless power feeder according to any one of claims 1 to 5, wherein the power receiver is a portable electronic device or a rechargeable button battery.
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