JP2013165576A

JP2013165576A - 電力伝送コイル

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Publication number: JP2013165576A
Application number: JP2012027261A
Authority: JP
Inventors: Werner Steffen; ヴェルナーシュテフェン; Hiroki Iwamiya; 裕樹岩宮; Eiji Miyake; 英司三宅
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP5903579B2

Abstract

【課題】損失の低減と、簡単な構成を両立することができる電力伝送コイルを提供することを目的とする。
【解決手段】電力伝送コイル１１は、平面コイル１３と、平面コイル１３と電気的に接続される共振回路基板１５と、平面コイル１３と共振回路基板１５とを収納する筐体１７と、を備える。共振回路基板１５は、筐体１７内において、平面コイル１３により発生される、筐体１７の高さ方向での磁界の方向と実質的に平行になるように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力を伝送するための電力伝送コイルに関するものである。

近年、直接的な電気的接続を持たず、非接触で電力を伝送する非接触給電技術が開発されている。このような非接触給電技術を用いた非接触型電力伝送システムが特許文献１に提案されている。この非接触型電力伝送システムのブロック図を図３に示す。

図３において、送電装置１０１は、コンバータ１０２、インバータ１０３、および送電コイル１０４を含む。商用交流電力は、コンバータ１０２により直流変換され、インバータ１０３により所定周波数の交流電力に変換されて送電コイル１０４に供給される。

受電装置１０５は、基板１０６、高さの低い電子部品１０７、高さの高い電子部品１０８、磁性体シート１０９、および受電コイル１１０を含む。基板１０６の表面には、電子部品１０７、１０８により受電コイル１１０で受けた交流電力を直流電力に変換する電力変換回路が形成される。ここで、磁性体シート１０９は高さの低い電子部品１０７が配置される領域を覆うように設けられる。一方、高さの高い電子部品１０８には磁性体シート１０９が設けられない。このような構成により、受電装置１０５の高さを低く抑制することができる。

ここで、高さの高い電子部品１０８には磁性体シート１０９が設けられないため、高さの高い電子部品１０８が配置される部分の基板１０６を図４の断面図に示す構成としている。すなわち、基板１０６の表面電極１１１を分断して、基板１０６の裏面電極１１３との間をビアホール１１５で互いに接続する。これにより、送電コイル１０４や受電コイル１１０からの漏れ磁束により発生する渦電流Ｉ２は表面電極１１１に流れるものの、ビアホール１１５には流れず、表面電極１１１内で循環する。このような構成により、磁性体シート１０９が設けられないために発生する渦電流損を小さくできる。

国際公開第２０１０／０８７３１７号

上記した図３、図４の非接触型電力伝送システムによると、渦電流損を低減することができるのであるが、表面電極１１１には依然として渦電流が循環し、熱として放出されるため、その損失が発生するという課題が残る。

また、上記の非接触型電力伝送システムは、基板１０６と受電コイル１１０の間に磁性体シート１０９を設ける構成であり、受電コイル１１０から基板１０６までの接続ケーブルが、図３に示すように磁性体シート１０９を回避するように取り回されるため長くなり、前記接続ケーブルの損失も発生するという課題があった。

さらに、基板１０６の表裏をビアホール１１５で接続するため、基板１０６の構成が複雑になるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、さらなる損失の低減と、簡単な構成を両立することができる電力伝送コイルを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電力伝送コイルは、平面コイルと、前記平面コイルと電気的に接続される共振回路基板と、前記平面コイルと前記共振回路基板とを収納する筐体と、を備え、前記共振回路基板は、前記筐体内において、前記平面コイルにより発生される、前記筐体の高さ方向での磁界の方向と実質的に平行になるように配置されるものである。

本発明の電力伝送コイルによれば、共振回路基板の表面電極が、平面コイルからの磁界の方向と実質的に平行となるため、渦電流がほとんど発生しない。従って、渦電流損をさらに低減することができる。

また、共振回路基板を平面コイルとともに筐体内に収納することで、従来の磁性体シートを回避するように接続ケーブルを取り回す必要がなく、その長さを短くすることができるため、接続ケーブルによる損失も低減できる。

さらに、共振回路基板にはビアホールが不要となるため、簡単な構成とすることができる。

これらのことから、さらなる損失の低減と、簡単な構成を両立することが可能な電力伝送コイルを実現できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１における電力伝送コイルの一部切り欠き斜視図本発明の実施の形態２における電力伝送コイルの一部切り欠き斜視図従来の非接触型電力伝送システムのブロック図従来の非接触型電力伝送システムの基板断面図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力伝送コイルの一部切り欠き斜視図である。

図１において、電力伝送コイル１１は、平面コイル１３と、平面コイル１３と電気的に接続される共振回路基板１５と、平面コイル１３と共振回路基板１５とを収納する筐体１７と、を備え、共振回路基板１５は、筐体１７内において、平面コイル１３により発生される、筐体１７の高さ方向での磁界の方向と実質的に平行になるように配置される構成を有する。

これにより、共振回路基板１５が平面コイル１３からの磁界の方向と実質的に平行となるため、渦電流損をさらに低減できる。また、共振回路基板１５を平面コイル１３とともに筐体１７内に収納することで、接続ケーブル（後述）を短くすることができ、その損失も低減できる。さらに、共振回路基板１５にはビアホールが不要となるため、簡単な構成とすることができる。これらのことから、さらなる損失の低減と、簡単な構成を両立する電力伝送コイル１１を実現できる。

以下、より具体的に本実施の形態１の構成、動作について説明する。

図１における電力伝送コイル１１は、電力を送電するための平面コイル１３を有する。この平面コイル１３は、リッツ線から構成される。前記リッツ線は、平面コイル１３の中央から外側に向けて渦巻状に捲回される。平面コイル１３の両端は、図１における筐体１７の下方向へ接続ケーブル１９によって引き出され、共振回路基板１５と電気的に接続される。また、共振回路基板１５は接続ケーブル１９によって、図示しない送電回路と電気的に接続される。

共振回路基板１５は、平面コイル１３と共振する共振コンデンサ２１が実装される。なお、平面コイル１３と共振コンデンサ２１は直列になるように電気的に接続される。

共振コンデンサ２１は積層型のチップコンデンサを用いている。そして、共振回路基板１５の表面に設けられた配線パターン２３の上に実装される。この際、共振コンデンサ２１の内部電極が配線パターン２３と実質的に平行になるように共振回路基板１５に実装される。ここで、実質的に平行とは、共振コンデンサ２１の内部電極における平行度の精度や、配線パターン２３と接続する際の組み立て精度等の範囲内で、平行であるという意味と定義する。

なお、接続ケーブル１９も配線パターン２３の両端でハンダ２５により電気的に接続される。

平面コイル１３と共振回路基板１５は樹脂製の筐体１７に収納される。具体的には、図１において、筐体１７の上面に平面コイル１３が配される。そして、共振回路基板１５は筐体１７の高さ方向に立てて配置される。この際、図１に示すように、共振回路基板１５は、平面コイル１３の外周より外側の位置、すなわち平面コイル１３の磁性体（後述）への投影面よりも外側の位置に配置される。

筐体１７の底面には、例えばフェライトからなる磁性体２７が配される。この磁性体２７には、図１に示すように共振回路基板１５の下端面が固定される構成としている。従って、磁性体２７は、筐体１７内において、共振回路基板１５の、平面コイル１３から最も遠い側（ここでは下端面）に配される。

なお、本実施の形態１の構成では、筐体１７の底面全体が磁性体２７としているが、これは、筐体１７の底板の、平面コイル１３と対向する面に、磁性体２７のシートを取り付ける構成であってもよい。

このような構成により、磁性体２７は、筐体１７内において、平面コイル１３と実質的に平行な方向に配されることになる。その結果、電力伝送コイル１１の底面における磁気シールドを実現できる。なお、実質的に平行とは、筐体１７や磁性体２７の加工精度、および両者の組み立て精度等の範囲内で平行であると定義する。

さらに、磁性体２７は電力伝送コイル１１の底面に配され、平面コイル１３と共振回路基板１５が筐体１７内に収納される構成であるので、平面コイル１３と共振回路基板１５との間は、直接、接続ケーブル１９により電気的に接続できる。従って、従来のように、接続ケーブル１９が磁性体２７を回避するように取り回される必要がなくなり、その分、接続ケーブル１９を短くすることができ、接続ケーブル１９による損失を低減することが可能となる。

平面コイル１３を動作させると、平面コイル１３から筐体１７の高さ方向へ図１の点線に示す漏れ磁束が発生する。従って、共振回路基板１５は、筐体１７内において、平面コイル１３により発生される、筐体１７の高さ方向での磁界（漏れ磁束）の方向と実質的に平行になるように配置されることになる。ここで、実質的に平行とは、共振回路基板１５自体の寸法精度や、共振回路基板１５を磁性体２７へ取り付ける際の組み立て精度等の範囲内で、共振回路基板１５が筐体１７の高さ方向に対し平行であると定義する。このような構成により、共振回路基板１５の表面に設けられた配線パターン２３が、図１の点線で示す漏れ磁束と実質的に平行になるので、配線パターン２３での渦電流がほとんど発生しない。

同様に、共振コンデンサ２１の内部電極は配線パターン２３と実質的に平行であるので、前記内部電極と漏れ磁束の方向も実質的に平行となる。従って、共振コンデンサ２１における渦電流もほとんど発生しない。

さらに、上記したように、共振回路基板１５は、平面コイル１３の外周より外側の位置に配置されるので、共振回路基板１５に到達する漏れ磁束の強度が弱くなる。

これらの結果、従来の構成に比べ、渦電流損をさらに低減することができる。また、共振回路基板１５はビアホールを設けていないため、その構造が簡単になる。

以上の構成、動作により、さらなる損失の低減と、簡単な構成を両立することが可能な電力伝送コイル１１を実現できる。

なお、本実施の形態１では、共振回路基板１５が、平面コイル１３の外周より外側の位置に配置されるが、これは電力伝送コイル１１で伝送する電力が小さく、漏れ磁束の大きさが小さい場合は、共振回路基板１５を平面コイル１３の外周より内側の位置に配置してもよい。この場合、共振回路基板１５に漏れ磁束が到達しやすくなるが、配線パターン２３が漏れ磁束に対して平行方向であるため、渦電流損を抑制することが可能である。但し、できるだけ渦電流損を低減し、効率を向上させるためには、本実施の形態１のように、共振回路基板１５を漏れ磁束から遠ざけて、平面コイル１３の外周より外側の位置に配置する方が望ましい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における電力伝送コイルの一部切り欠き斜視図である。

なお、本実施の形態２において、実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。

図２において、共振回路基板１５は、平面コイル１３の外周方向に曲げられた状態で配置される。

これにより、共振回路基板１５に設けられた配線パターン２３の各部における平面コイル１３からの距離がほぼ等しくなるので、配線パターン２３で発生する渦電流損そのものが低減される効果に加え、渦電流損のバラツキも低減できる。その結果、渦電流損により共振回路基板１５に熱が発生しても、そのバラツキが少なくなるという効果も得られる。

以下、より具体的に本実施の形態２の構成、動作について説明する。

図２において、平面コイル１３は円筒形状の筐体１７に配される。そして、共振回路基板１５は、平面コイル１３の外周方向に曲げられた状態で配置される。このように配置するために、共振回路基板１５はフレキシブル基板で構成される。

ここで、曲げられた共振回路基板１５の曲率半径は、平面コイル１３の外接円半径より大きくしている。なお、本実施の形態２では、平面コイル１３が渦巻き円状であるので、前記外接円半径は平面コイル１３の外周半径に相等する。さらに、共振回路基板１５は、平面コイル１３の外周よりも外側の位置に配置される。

このような構成とすることで、筐体１７内において、できるだけ共振回路基板１５を平面コイル１３より遠ざけることができるので、平面コイル１３から、図２の点線矢印に示すような方向に、筐体１７の高さ方向での磁界（漏れ磁束）が発生しても、さらなる渦電流損の低減が可能となる。さらに、共振回路基板１５に設けられた配線パターン２３の各部における平面コイル１３からの距離がほぼ等しくなる。従って、上記したように配線パターン２３で発生する渦電流損そのものが低減される効果に加え、渦電流のバラツキも低減できる。その結果、渦電流損により共振回路基板１５に熱が発生しても、熱バラツキが抑制され、局所的に発熱する可能性が低くなる。

なお、ここでは共振回路基板１５の曲率半径が、平面コイル１３の外接円半径（外周半径）より大きく、かつ、共振回路基板１５が平面コイル１３の外周より外側の位置に配置される構成としたが、それに限定されるものではない。すなわち、例えば筐体１７の高さが高く、平面コイル１３の磁性体２７への投影面内に共振回路基板１５が掛かっても、漏れ磁束による渦電流損に大きく影響しない場合は、共振回路基板１５の曲率半径が、平面コイル１３の外接円半径より小さくてもよいし、あるいは共振回路基板１５が平面コイル１３の外周より内側の位置に配置されてもよい。但し、できるだけ渦電流損を低減するためには、本実施の形態２に示すように、共振回路基板１５の曲率半径が、平面コイル１３の外接円半径より大きく、かつ、共振回路基板１５が平面コイル１３の外周より外側の位置に配置される構成とする方が望ましい。

共振回路基板１５には共振コンデンサ２１が実装される。ここでは、共振コンデンサ２１として円筒形状のものを用いた。従って、共振コンデンサ２１のリード線が配線パターン２３と電気的に接続される構成となる。

ここで、円筒形状の共振コンデンサ２１は、円筒の周方向に内部電極が捲回された構成を有する。従って、実施の形態１と同様に、前記内部電極に対して、平面コイル１３より発生される、筐体１７の高さ方向での磁界（漏れ磁束）の方向が実質的に平行になるようにするために、図２に示す共振コンデンサ２１の高さ方向と筐体１７の高さ方向が実質的に平行になるように共振コンデンサ２１を配置している。これにより、前記内部電極で発生する渦電流損を低減することができる。なお、実質的に平行とは、共振コンデンサ２１の寸法精度、および、共振コンデンサ２１の共振回路基板１５への実装精度、共振回路基板１５の磁性体２７への固定精度等の組み立て精度の範囲内で平行であると定義する。

このように、共振回路基板１５を曲げた構成としたことにより、筐体１７が円筒形状であっても、それに沿って共振回路基板１５を配することができるので、渦電流損を低減することができる。また、実施の形態１と同様に、本実施の形態２においても、磁性体２７が筐体１７の底部に配されるため、接続ケーブル１９が磁性体２７を回避しなくてよい分、接続ケーブル１９を短くでき、損失を低減できる。また、共振回路基板１５には多数のビアホールを設ける必要がないので、共振回路基板１５を簡単な構成とすることができる。

なお、本実施の形態２では、共振コンデンサ２１を円筒形状のものとしたが、これは実施の形態１と同様に積層型の共振コンデンサ２１としてもよい。また、実施の形態１の共振コンデンサ２１を本実施の形態２に示す円筒形状としてもよい。これらいずれの場合も、内部電極が漏れ磁束の方向と平行になるように配すればよい。これにより、共振コンデンサ２１の内部電極における渦電流損を低減することができる。

また、本実施の形態２で述べた、曲げられた共振回路基板１５は実施の形態１の構成に適用してもよい。この場合も、本実施の形態２と同様に、渦電流のバラツキを低減することができる。

また、本実施の形態２では、平面コイル１３を渦巻き円状としたが、これは多角形の平面コイル１３としてもよい。この場合、平面コイル１３の外接円半径は、最も外側の前記リッツ線が形成する多角形における外接円の半径となる。

また、本実施の形態２の共振回路基板１５はフレキシブル基板としたが、これに限定されるものではなく、例えばガラスエポキシ系の回路基板を機械的に曲げて固定する構成としてもよい。

また、実施の形態１、２では、共振コンデンサ２１の内部電極が磁界の方向（漏れ磁束の方向）と実質的に平行になるように共振回路基板１５に実装される。これに対し、共振コンデンサ２１の容量が小さいため、その内部電極も小さく、渦電流がそれほど発生しない場合は、前記内部電極の方向が磁界の方向と関係なく、任意の方向で共振コンデンサ２１を実装してもよい。

また、実施の形態１、２では、電力伝送コイル１１の平面コイル１３を送電用として説明したが、これは受電用に適用してもよい。この場合、電力伝送コイル１１には受電回路が電気的に接続される構成となる。

また、実施の形態１、２における電力伝送コイル１１で、薄型化が必要な場合は、共振回路基板１５の幅、すなわち、筐体１７の高さ方向の長さを、共振コンデンサ２１等の実装部品の大きさの程度まで狭めた細長い形状とすればよい。

本発明にかかる電力伝送コイルは、さらなる損失の低減と、簡単な構成を両立することができるので、特に非接触給電用の電力伝送コイル等として有用である。

１１電力伝送コイル
１３平面コイル
１５共振回路基板
１７筐体
２１共振コンデンサ
２７磁性体

Claims

平面コイルと、
前記平面コイルと電気的に接続される共振回路基板と、
前記平面コイルと前記共振回路基板とを収納する筐体と、を備え、
前記共振回路基板は、前記筐体内において、前記平面コイルにより発生される、前記筐体の高さ方向での磁界の方向と実質的に平行になるように配置される電力伝送コイル。
前記共振回路基板は、前記平面コイルの外周より外側の位置に配置される請求項１に記載の電力伝送コイル。
前記共振回路基板には、共振コンデンサが実装される構成を有し、
前記共振コンデンサの内部電極が前記磁界の方向と実質的に平行になるように前記共振回路基板に実装される請求項１に記載の電力伝送コイル。
前記共振回路基板は、前記平面コイルの外周方向に曲げられた状態で配置される請求項１に記載の電力伝送コイル。
曲げられた前記共振回路基板の曲率半径は、前記平面コイルの外接円半径より大きく、かつ、前記共振回路基板が前記平面コイルの外周より外側の位置に配置される請求項４に記載の電力伝送コイル。
前記筐体内において、前記共振回路基板の、前記平面コイルから最も遠い側であって、かつ、前記平面コイルと実質的に平行な方向に磁性体を配した請求項１に記載の電力伝送コイル。