JP2014039437A - 充放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部との物理的な電気的接点を用いなくとも、外部から充電し外部に放電することのできる充放電装置を提供する。
【解決手段】電池１０は、内部を密閉し電磁波を透過させる素材で形成された筐体を有し、筐体内に電池１０の構成要素を有している。具体的には、受電用コイル１１は、電磁誘導方式で外部から受電する。蓄電部１４は、受電用コイル１１と電気的に接続され、受電用コイル１１からの交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータ１２で変換した直流電圧を用いて蓄電（充電）する。送電用コイル１６は、蓄電部１４と電気的に接続され、同心円状に配置した平面コイル１６１，１６２を有する。電池１０が外部に放電するときには、駆動回路１７は、蓄電部１４の出力電圧をインバータ回路１５により交流電圧に変換し、電磁誘導方式で外部に給電するための磁場を筐体外に発生させるよう送電用コイル１６に交流電流を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部からの充電及び外部への放電が可能な装置に関する。

非接触給電を利用して充電する技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１は、電源部が被給電部に電界結合方式を用いて非接触給電を行い、被給電部が電源部から受け取った電力を用いて充電池に充電することを開示している。

特開２０１２−３４４４７号公報

特許文献１に記載の技術では、電源部は、蓄電池又は送電線を介して送電された交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換装置を電源として有する。すなわち、この電源部は、蓄電池を充電する構成を有しないか、又は、外部電源との物理的な電気的接点を介して送電用の電力を得る構成のいずれかとなる。また、特許文献１に記載の被給電部が充電した電力は、この被給電部を備えた電気機器が駆動するために使用される。
これに対し、本発明の目的は、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも、外部から充電し外部に放電することのできる充放電装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の充放電装置は、内部を密閉した筐体と、外部から受電する受電部と、前記受電部と電気的に接続され、前記受電部の出力電圧を用いて蓄電する蓄電部と、前記蓄電部と電気的に接続され、同一の点の周りに同一平面上で線材を巻き回したｍ個（ただし、ｍ≧２）の平面コイルを径方向内側から外側に向かって配置した送電用コイルと、前記蓄電部の出力電圧を交流電圧に変換し、前記筐体外に磁場を発生させる交流電流を前記ｍ個の平面コイルに流す駆動回路とを備え、前記受電部、前記蓄電部、前記送電用コイル及び前記駆動回路が前記筐体内に設けられている。

本発明の充放電装置は、内部を密閉した筐体と、外部から受電する受電部と、前記受電部と電気的に接続され、前記受電部の出力電圧を用いて蓄電する蓄電部と、前記蓄電部と電気的に接続された空芯のソレノイドコイルを有する送電用コイルと、前記蓄電部の出力電圧を交流電圧に変換し、前記筐体外に磁場を発生させる交流電流を前記送電用コイルに流す駆動回路とを備え、前記受電部、前記蓄電部、前記送電用コイル及び前記駆動回路が前記筐体内に設けられている。

本発明の充放電装置において、前記送電用コイルの内側からｋ−１番目及びｋ番目（ただし、２≦ｋ≦ｍ）の平面コイルの前記線材の長さの差が、当該ｋ番目の平面コイルの外周の長さ未満としてもよい。
また、本発明の充放電装置において、前記送電用コイルの内側からｋ−１番目及びｋ番目（ただし、２≦ｋ≦ｍ）の平面コイルに直流電流を流したとき、前記径方向において、当該ｋ番目の平面コイルの内周に対応した位置の強度が当該位置の両側の強度よりも高い静磁場が発生するようにしてもよい。

本発明の充放電装置において、前記受電部は、受電用コイルと、前記受電用コイルと電気的に接続され、前記筐体外で発生させられた磁場に応じた電磁誘導により前記受電用コイルから出力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとを有し、前記蓄電部は、前記コンバータと電気的に接続され、前記コンバータから出力された直流電圧を用いて蓄電するようにしてもよい。

本発明の充放電装置において、前記受電部は、受電用電極と、前記受電用電極と電気的に接続され、前記筐体外の送電用電極との電界結合により前記受電用電極から出力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとを有し、前記蓄電部は、前記コンバータと電気的に接続され、前記コンバータから出力された直流電圧を用いて蓄電するようにしてもよい。

本発明の充放電装置において、前記蓄電部は、前記筐体に設けられた太陽電池から入力された電圧、又は、商用電源から入力された電圧を用いて蓄電するようにしてもよい。

本発明によれば、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも、外部から充電し外部に放電することのできる充放電装置を提供することができる。

電池の電気的な構成を示すブロック図（第１，第２実施形態）。 送電用コイルの構成を示す図（第１実施形態）。 電池の物理的構成を説明する図（第１実施形態）。 電池が充放電を行うときの動作を説明する図（第１実施形態）。 受電装置の一例である照明装置の構成を示す図。 静磁場特性を示すグラフ。 静磁場特性のシミュレーション結果を示すグラフである（２Ａ）。 静磁場特性のシミュレーション結果を示すグラフである（５００ｍＡ）。 静磁場特性のシミュレーション結果を示すグラフである（２Ａ）。 送電用コイルの構成を示す図（第１実施形態）。 電池の電気的な構成を示すブロック図（第２実施形態）。 電池の電気的な構成を示すブロック図（第３実施形態）。 電池が充放電を行うときの動作を説明する図（第３実施形態）。 充放電装置の電気的な構成を示すブロック図（変形例１）。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態では、本発明の充放電装置を電池（電池１０）に適用した態様を説明する。電池１０は、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも、外部から充電し外部に放電することのできる電池である。また、電池１０は、一般的な乾電池や充電池などとは異なり、正極や負極といった電極が外部に露出していない電池である。この理由から、電池１０は、無接点電池や無極性電池と称することができる電池である。電池１０は、本実施形態では、電池１０を電源として動作する電気機器などの受電装置に着脱可能な電池であるが、受電装置に内蔵される電池であってもよい。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態における電池１０の電気的な構成を示すブロック図である。電池１０は、受電用コイル１１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、過充電保護回路１３と、蓄電部１４と、インバータ回路１５と、送電用コイル１６と、駆動回路１７とを備えている。
受電用コイル１１は、線材を平面状に巻き回した平面コイルである。受電用コイル１１は、電磁誘導方式を用いた非接触給電により電池１０の外部から受電するための二次コイルである。受電用コイル１１は、外部からの受電により発生した交流電圧を出力する。以上の構成の受電用コイル１１は、電池１０の外部との物理的な電気的接点を用いずに受電する受電部として機能する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、受電用コイル１１の一端及び他端と電気的に接続され、受電用コイル１１から入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータである。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の具体的構成は特に問わないが、例えば、全波整流を行うブリッジ整流回路で例示される整流回路や、整流回路の出力電圧を平滑化する平滑回路を備える。

過充電保護回路１３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２と電気的に接続され、蓄電部１４を過充電から保護するために、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から入力された直流電圧を調整して出力する。過充電保護回路１３の具体的構成は特に問わないが、例えば、過充電保護回路１３はレギュレータを備える。蓄電部１４は、過充電保護回路１３と電気的に接続された二次電池であり、例えば、リチウム電池やニッケル・カドミウム電池である。蓄電部１４は、受電用コイル１１の出力電圧を用いて蓄電する。

インバータ回路１５は、蓄電部１４及び駆動回路１７と電気的に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して出力する。インバータ回路１５は、例えばスイッチング素子を有するインバータ回路であり、駆動回路１７から供給された駆動信号に応じてスイッチング素子がオンオフ駆動することにより、蓄電部１４から入力された直流電圧を特定周波数の交流電圧に変換して出力する。
送電用コイル１６は、互いに並列接続された平面コイル１６１及び平面コイル１６２を有し、一端及び他端がインバータ回路１５を介して蓄電部１４と電気的に接続されている。

駆動回路１７は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御回路であり、インバータ回路１５と電気的に接続されているとともに、スイッチＳＷを介して蓄電部１４と電気的に接続されている。駆動回路１７は、蓄電部１４から供給される電力を電源と動作し、スイッチＳＷがオンしたときに蓄電部１４と導通する。一方、駆動回路１７は、スイッチＳＷがオフしたときには蓄電部１４と非導通となり、このときには動作しない。スイッチＳＷは、例えば、電池１０が装着された受電装置をオンオフするための機械式スイッチと接続されていて、この機械式スイッチのオンオフと連動してオンオフする。すなわち、ユーザが受電装置のスイッチをオンしたときに、スイッチＳＷもオンして駆動回路１７が動作を開始し、ユーザが受電装置のスイッチをオフしたときには、スイッチＳＷもオフして駆動回路１７が動作を停止する。
なお、電池１０のスイッチＳＷは、受電装置に装着されていないときはオフされているものとする。また、スイッチＳＷのオンオフはこれ以外の方法で切り替えられてもよい。例えば、電池１０がスイッチＳＷと物理的に接続されたつまみを有し、ユーザがこのつまみを手動操作することでスイッチＳＷがオンオフされてもよい。

駆動回路１７は、スイッチＳＷがオンしているときに、特定周波数（例えば、１００ｋＨｚから３００ｋＨｚ）の駆動信号をインバータ回路１５に出力する。インバータ回路１５は、駆動回路１７からの駆動信号に応じて、蓄電部１４の出力電圧をこの特定周波数の交流電圧に変換して出力する。駆動回路１７は、駆動信号を出力することにより、特定周波数の交流電流を送電用コイル１６に流す。送電用コイル１６に交流電流が流れたとき、送電用コイル１６は、電磁誘導方式で外部に送電するための磁場（交流磁場）を電池１０の外部に発生させる。
なお、駆動回路１７が出力する駆動信号の周波数はどのような周波数でもよいが、商用電源周波数（日本国では５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも高い周波数であることが望ましい。また、この実施形態の電池１０の電気的な構成はあくまで一例であり、前述した回路動作を実現するための別の構成が採られてもよい。例えば、電池１０は、インバータ回路１５と送電用コイル１６との間に設けられた共振コンデンサを有していてもよいし、送電用コイル１６に流れる電流を調整するための抵抗を有していてもよい。

図２は、送電用コイル１６の構成を示す図である。図２（ａ）は送電用コイル１６の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿って送電用コイル１６を切断した場合の断面図である。
図２に示すように、送電用コイル１６は、内径の大きさ（つまり内側空間の大きさ）が互いに異なる二つの平面コイル１６１，１６２を同心円状に配置した構成である。具体的に、平面コイル１６１は、同心円の中心の回りに線材を巻回きして構成される。平面コイル１６２は、平面コイル１６１と中心点を共有するように、平面コイル１６１の外側に同じ方向に線材を巻回きして構成される。平面コイル１６１，１６２は、同一平面上に配置され、コイル径方向が同じである。言い換えれば、送電用コイル１６は、径方向内側から外側に向かって、平面コイル１６１，１６２を配置した平面状のコイルである。この径方向は送電用コイル１６のコイル径方向であるとともに、平面コイル１６１，１６２のコイル径方向である。また、図２に示すように、平面コイル１６１の外周と平面コイル１６２の内周との間には隙間が形成されている。

平面コイル１６１，１６２の線材は、同種の線材で同一の長さとなるように形成されている。これにより、平面コイル１６１，１６２の直流抵抗の抵抗値は、理論上は同一となる。また、平面コイル１６１，１６２は、図１に示すように互いに並列接続されている。よって、平面コイル１６１，１６２には、蓄電部１４の出力電圧に基づいて、同一周波数、同位相で、且つ、同じ大きさの交流電流が流れることとなる。
以上説明した構成の送電用コイル１６を電池１０に採用することで、送電用コイル１６が発生させる磁場に置かれた導体での渦電流の発生を抑え、この渦電流を原因とした導体の発熱を抑制することができるという知見を発明者らは得た。この根拠については後で説明する。

図３は、電池１０の物理的構成を説明する図である。図３は、図２（ａ）Ｉ−Ｉ線に沿って送電用コイル１６を切断した場合の電池１０の断面図である。
電池１０において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２、過充電保護回路１３、インバータ回路１５、送電用コイル１６及び駆動回路１７を構成する電子部品や蓄電部１４は、回路基板１０１に実装されている。また、電池１０において、回路基板１０１の位置から一方向（後述する充電装置２００が置かれる方向）に、第１の磁性シート１０２ａ、放熱シート又は樹脂シートからなるスペーサ１０３ａ、受電用コイル１１が順に設けられている。また、電池１０において、回路基板１０１の位置から反対方向（後述する受電装置３００が置かれる方向）に、第２の磁性シート１０４、放熱板１０５、第１の磁性シート１０２ｂ、放熱シート又は樹脂シートからなるスペーサ１０３ｂ、送電用コイル１６が順に設けられている。

磁性シート１０２ａ，１０２ｂは、いわゆる電磁ノイズ削減用のシートである。磁性シート１０２ａは、受電用コイル１１が電池１０の筐体１８を介して面する空間（後述する充電装置２００が置かれる方向）の反対側から受電用コイル１１を覆うように、受電用コイル１１から離間して設けられた磁性体である。磁性シート１０２ｂは、送電用コイル１６が筐体１８を介して面する空間（後述する受電装置３００が置かれる方向）の反対側から送電用コイル１６を覆うように、送電用コイル１６から離間して設けられた磁性体である。放熱板１０５は、回路基板１０１に伝導する熱を放熱するために設けられている。放熱板１０５は、熱伝導率の大きい材料（例えば、アルミニウムや銅などの非磁性体）を使用することができる。受電用コイル１１や送電用コイル１６に交流電流が流れた場合であっても、磁性シート１０２ａ，１０２ｂが磁気シールドとして機能するから、放熱板１０５の誘導加熱が防止される。

電池１０では、回路基板１０１、磁性シート１０２ａ、スペーサ１０３ａ、受電用コイル１１、第２の磁性シート１０４、放熱板１０５、第１の磁性シート１０２ｂ、スペーサ１０３ｂ及び送電用コイル１６は、筐体１８の内部に収容されている。筐体１８は、内部を密閉し電磁波を透過させる素材で形成された筐体であり、例えば樹脂材料を用いて形成されている。筐体１８は、例えば外観が直方体で中空の箱状の部材であり、例えばユーザ容易に持ち運ぶことができる程度の大きさである。また、受電用コイル１１及び送電用コイル１６は、筐体１８内の外部空間に比較的近い位置に設けられる。また、受電用コイル１１及び送電用コイル１６は、互いに電磁結合しにくいようになるべく距離を離して設けられている。
なお、筐体１８の素材は、樹脂材料でなくてもよいが、少なくとも一部が電磁波を透過させる性質を有するとともに、筐体１８内外の磁場の伝搬に大きく影響しない素材であることが好ましい。また、筐体１８は、内部への水分の浸透を防ぐために、防水性に優れた素材で形成されていることが好ましい。

図４は、電池１０が充放電を行うときの動作を説明する図である。図４（ａ）は、電池１０の充電時の様子を示し、図４（ｂ）は、電池１０の放電時の様子を示す。図４（ａ）においては、電池１０のうち充電時の動作に関わる部分だけを図示し、図４（ｂ）においては、電池１０のうち放電時の動作に関わる部分だけを図示しているが、図示していない部分の構成は図１に示す構成と同じである。

まず、充電時の電池１０の動作を説明する。充電時においては、ユーザは、充電装置２００に電池１０を近づける。充電装置２００は、例えば、電磁誘導方式で非接触給電を行う卓上タイプの充電装置であるが、少なくとも送電用コイル２０１を筐体の表面近くに有している。送電用コイル２０１は、ここでは平面コイルである。充電時において、電池１０を扱うユーザは、電池１０が有する受電用コイル１１と、充電装置２００が有する送電用コイル２０１とを対向させる。そして、充電装置２００は送電用コイル２０１に交流電流を流す。送電用コイル２０１に流れた交流電流により、充電装置２００外の空間に発生させられた磁場に応じて、送電用コイル２０１と電池１０の受電用コイル１１とが電磁結合する。筐体１８は、電磁波を透過させる素材で形成されているので、送電用コイル２０１と受電用コイル１１とが電磁結合することが可能である。電池１０では、この電磁結合に応じて、受電用コイル１１に誘導起電力である交流電圧が発生させられる。受電用コイル１１は、この電磁誘導により発生させた交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータ１２に出力し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２及び過充電保護回路１３を介して、充電装置２００からの受電電力が蓄電部１４に充電される。
なお、充電時においては、スイッチＳＷがオフしており駆動回路１７が動作しないようになっている。また、充電時においては、電池１０では、受電用コイル１１と蓄電部１４とが導通している。

次に、放電時の電池１０の動作を説明する。放電時においては、電池１０を扱うユーザは、電磁誘導方式で受電を行う受電装置３００に電池１０を近づける。受電装置３００は、電池１０からの給電を受けて動作する装置であればよいが、少なくとも受電用コイル３０１を筐体の表面近くに有している。受電用コイル３０１は平面コイルであり、例えば受電用コイル１１と同等の構成を有している。このとき、ユーザは、電池１０が有する送電用コイル１６と、受電装置３００が有する受電用コイル３０１とを対向させる。放電時においては、スイッチＳＷがオンして蓄電部１４を電源として駆動回路１７が動作し、駆動回路１７は送電用コイル１６に交流電流を流す。これにより、電池１０の送電用コイル１６と受電装置３００の受電用コイル３０１とが電磁結合し、この電磁結合により受電用コイル３０１に誘導起電力である交流電圧が発生させられる。受電装置３００は、受電用コイル３０１を用いた受電により発生した交流電圧を用いて動作する。

図５は、受電装置３００の一例である照明装置（ここでは、懐中電灯である。）の回路構成の一例を示す図である。
図５に示す受電装置３００は、受電用コイル３０１と、受電用コイル３０１と電気的に接続された発光ダイオード３０２とを備えている。受電装置３００では、受電用コイル３０１により受電による交流電圧が発生すると、この交流電圧に応じて流れた電流により発光ダイオード３０２が発光する。
受電装置３００の構成はこれに限らず、整流回路及び平滑回路を用いて交流電圧を直流電圧に変換して、発光ダイオード３０２に直流電流を流してもよい。また、受電装置３００は、直列接続又は並列接続された発光ダイオード３０２を複数有していてもよい。また、受電装置３００は、照明装置以外であってもよく、例えば各種の電気機器とすることができる。こ受電装置３００は、例えば、スマートフォンや音楽プレーヤなどの各種携帯機器や、ペースメーカや補聴器などの各種医療機器などの機器である。

次に、送電用コイル１６を図２に示す構成とした根拠について説明する。
図６は、送電用コイル１６に直流電流を流した場合に、送電用コイル１６が面している空間（受電装置３００が配置される空間）に発生させられる静磁場の様子を示すグラフである。図６に示すグラフによって表される、送電用コイル１６の径方向（コイル径方向）における静磁場の磁束密度の分布を、以下では「静磁場特性」と称する。静磁場特性は、この磁場内に受電装置３００などの導体がない状態での特性を示す。磁場内の透磁率は一定であるから、磁束密度が大きいほど磁場の強度は高い。以下、送電用コイル１６の径方向に広がる平面をｘｙ平面とし、送電用コイル１６の上面の法線方向を向くｚ軸を定めたｘｙｚ直交座標系を用いて説明をする。図６に示すグラフにおいて、横軸はｘ軸方向における位置を表し、原点Ｏが送電用コイル１６の中心（同心円の中心）に対応している。ｘ＝−ｘ１，ｘ１の位置は、それぞれ平面コイル１６１の内周の位置に対応する。ｘ＝−ｘ２，ｘ２の位置は、それぞれ平面コイル１６１の外周の位置に対応する。ｘ＝−ｘ３，ｘ３の位置は、それぞれ平面コイル１６２の内周の位置に対応する。縦軸は、送電用コイル１６の中心からｚ軸方向に所定距離離れた位置における、ｚ軸方向の磁場の強度（ここでは、磁束密度Ｂｚで表す。）を表す。

図６に示すように、送電用コイル１６の静磁場特性では、平面コイル１６１の内周に対応したｘ＝±ｘ１の２箇所において、磁束密度Ｂｚ＝Ｂｐ１となり、磁束密度Ｂｚがピークとなる。磁束密度Ｂｐ１は、送電用コイル１６の中心に対応する磁束密度Ｂｚ＝Ｂｏよりも大きい。そして、平面コイル１６１の内周に対応する位置（ｘ＝±ｘ１）から、原点Ｏの反対方向に更に離れると、磁束密度Ｂｚは次第に小さくなる。そして、平面コイル１６１の外周に対応する位置（ｘ＝±ｘ２）から、原点Ｏの反対方向に離れると磁束密度Ｂｚは再び大きくなる。そして、平面コイル１６２の内周に対応したｘ＝±ｘ３の２箇所において磁束密度Ｂｚ＝Ｂｐ２となり、磁束密度Ｂｚがピークとなる。そして、平面コイル１６２の内周に対応する位置（ｘ＝±ｘ３）から、原点Ｏの反対方向に更に離れると、磁束密度Ｂｚは次第に小さくなる。

以上のとおり、静磁場特性は、平面コイル１６１の内周に対応した２箇所、及び平面コイル１６１と平面コイル１６２との境界部分に対応した２箇所において、送電用コイル１６の径方向における両側よりも磁場が相対的に強くなる（磁束密度が相対的に大きい）ことを示す。本実施形態の電池１０によれば、平面コイル１６１と平面コイル１６２とが電磁結合したことにより、平面コイル１６１の内周の上部と、平面コイル１６２の内周の上部とに分散して、磁場が相対的に強い領域が現れたと考えられる。この領域の発生により、電池１０では、仮に送電用の平面コイルを１つだけ用いた場合に比べて、局所的に強い磁場が発生するのを抑えられると考えられる。局所的に強い渦電流が発生することが抑えられることで、渦電流に起因する導体の発熱も、平面コイルを１つだけ用いた場合に比べて抑制されると考えられる。

送電用コイル１６を有する電池１０が、導体の発熱を抑制しつつ給電するためには、例えば、平面コイル１６１と平面コイル１６２とに、共通の周波数で位相差が小さい交流電流を供給すればよいと考えられる。また、例えば平面コイル１６１と平面コイル１６２との線種が同じであるとすれば、平面コイル１６１と平面コイル１６２との線材の長さの差（以下、「線長差」という。）をなるべく小さくすべきである（理想的にはゼロ）。これにより、平面コイル１６１と平面コイル１６２とに流れる交流電流の位相差の発生が抑えられるからである。平面コイル１６１と平面コイル１６２とに流れる交流電流に位相差が生じると、この位相差に起因して高調波成分が生じる。よって、平面コイル１６１と平面コイル１６２との許容される線長差は、高調波成分に起因する発熱が問題となりにくいように、１ＭＨｚ以上の高調波成分が発生しない大きさ以下であることが好ましい。また、平面コイル１６１と平面コイル１６２とに流れる交流電流の位相差の発生を抑えることを考えれば、平面コイル１６１，１６２の直流抵抗値の差はなるべく小さいことが望ましく、ゼロであることが理想である。

平面コイル１６１，１６２の線長差を極力小さくするために、例えば、平面コイル１６１，１６２の巻数を、両コイルの線長差を最小にするような巻数にするとよい。例えば、平面コイル１６１の巻数が先に決められた場合、平面コイル１６２の巻数を両コイルの線長差を最小にする巻数にすればよい。このとき、両コイルの線長差は、少なくとも、平面コイル１６２の外周の長さ未満となる。例えば、平面コイル１６２の巻数が先に決められた場合、平面コイル１６１の巻数を両コイルの線長差を最小にする巻数にすればよい。このとき、両コイルの線長差は、少なくとも、平面コイル１６１の外周の長さ未満となる。

［実施例］
以下、上述した静磁場特性の発生を実証するシミュレーションを実施例として、具体的に説明する。この実施例では、送電用コイル１６の条件を以下のとおりにしてシミュレーションを行った。平面コイル１６１，１６２として用いたリッツ線は、線径０．０５ｍｍΦ、抵抗率０．１３ｍΩ／ｍｍ、線材皮膜厚０．００１ｍｍのポリウレタン銅線（JIS C 3202）を５４本撚り合わせたものである。
（平面コイル１６１の条件）
線長 ：２２３８．３８ｍｍ
外径（直径）：４１．０ｍｍ±０．３０ｍｍ
（半径２０．５ｍｍ±０．２０ｍｍ）
内径（直径）：１６．００ｍｍ±０．３０ｍｍ
（半径８．００ｍｍ±０．２０ｍｍ）
抵抗値 ：２９０．９９ｍΩ
巻数 ：２５
（平面コイル１６２の条件）
線長 ：２１９９．１１ｍｍ
外径（直径）：５７．００ｍｍ±０．３０ｍｍ
（半径２８．５０ｍｍ±０．２０ｍｍ）
内径（直径）：４３．００ｍｍ±０．３０ｍｍ
（半径２１．５０ｍｍ±０．２０ｍｍ）
抵抗値 ：２８５．８８ｍΩ
巻数 ：１４
平面コイル１６１，１６２の平均距離：１．００ｍｍ（巻数２相当の隙間）
平面コイル１６１，１６２の線長差：３９．２７ｍｍ
平面コイル１６１，１６２の抵抗差：５．１１ｍΩ

図７及び図８は、図６の静磁場特性の発生を実証するシミュレーション結果を示す図である。図９は、従来の非接触給電装置のように平面コイルを１つだけとした場合の静磁場特性のシミュレーション結果を示すグラフである。静磁場特性のシミュレーションにおいては、平面コイル１６１，１６２のそれぞれに、２Ａ（図７、図９の場合）又は５００ｍＡ（図８の場合）の直流電流を流し、それぞれ、送電用コイル１６からｚ軸方向に１ｍｍの位置における磁束密度をビオ・サバールの法則を用いて求めた。図７から図９において、（ａ）はｚ軸方向の磁束密度［ｍＴ］を表すグラフであり、（ｂ）はｘ軸方向の磁束密度［ｍＴ］を表すグラフである。
これらのシミュレーション結果からも、従来のように平面コイルを１つだけ用いた場合とは（図９参照）、平面コイル１６１，１６２の境界部分における磁場の発生の仕方に違いがあり、平面コイル１６２の内周に対応する位置（ｘ≒±２２ｍｍ）での静磁場の強度に関する発明者の知見が確かであることを確認できた。図９に示すように、平面コイルを１つだけとした場合には、磁場の比較的強い領域が複数領域に分散して発生する傾向は確認できず、平面コイルの中心付近においてのみ磁束密度が高くなっている。このことから、平面コイル１６１の外周と平面コイル１６２の内周との空隙を設けることも、図７及び図８に示す静磁場特性の発生に寄与していると考えられる。
また、図７と図８とを比較すると、直流電流が小さい場合ほど、平面コイル１６１の内周に対応する位置の磁束密度Ｂｚと、平面コイル１６２の内周に対応する位置の磁束密度Ｂｚとの差が小さくなり、送電用コイル１６の径方向における位置に対する磁束密度の変化がより抑えられる。すなわち、平面コイル１６１，１６２を流れる直流電流が小さい場合ほど、静磁場特性はより平坦な特性に近づき、位置に応じた磁束密度の変化が抑えられる。

ところで、この測定においては、線長差はおよそ３９ｍｍであり、直流抵抗の値の差はおよそ５．１ｍΩであるが、ここから線長差や直流抵抗の値の差が多少大きくなっても、受電装置の受電用コイルが配置される空間の導体の発熱量が極端に増大したり、静磁場特性が大きく変化したりすることはないと考えられる。よって、送電用コイル１６において、少なくとも線長差が平面コイル１６２の外周の長さ未満であれば、従来の平面コイルを１つだけとした場合に比べて、受電用コイルの配置空間にある導体の発熱が抑制できるはずである。また、例えば、平面コイル１６１，１６２の直流抵抗の抵抗値が異なっていても、それぞれが発生させる磁場の強度に変化は生じるが、平面コイル１６１と平面コイル１６２との電磁結合が発生することで、前述した傾向の静磁場特性が発生すると考えられる。
以上が、送電用コイル１６の構成を採用した根拠の説明であるが、この根拠に基づけば、平面コイルの数を３つ以上としてもよいはずである。

送電用コイル１６を構成する平面コイルを、平面コイル１６１，１６２，１６３とした場合、送電用コイル１６は、図１０に示すような構成となる。図１０（ａ）は送電用コイル１６の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ｂ）のII−II線に沿って送電用コイル１６を切断した場合の断面図である。
図１０に示すように、送電用コイル１６は、互いに内径の大きさが異なる三つの平面コイル１６１，１６２，１６３を同心円状に配置した構成である。平面コイルの数を３つ以上とした場合の条件は、平面コイルの数を２つとした場合を基に考えると、以下の条件であればよいと考えられる。具体的には、送電用コイル１６は、同一の点の周りに線材を巻き回したｍ個（ただし、ｍ≧２）の平面コイルを径方向内側から外側に向かって配置した構成である。そして、駆動回路１７は、ｍ個の平面コイルに交流電流を流す。その際、送電用コイル１６は、内側からｋ−１番目及びｋ番目の平面コイルの線材の長さの差が、ｋ番目の平面コイルの外周の長さ未満であることが望ましい。また、送電用コイル１６は、内側からｋ−１番目及びｋ番目（ただし、２≦ｋ≦ｍ）の平面コイルに直流電流を流したときには、この径方向において、ｋ番目の平面コイルの内周に対応した位置の強度がこの位置の両側の強度よりも高くなるように静磁場が発生すればよい。
なお、上述した実施形態では、送電用コイル１６は、ｍ個の平面コイルが同心円状となるように配置されていたが、各平面コイルの中心がずれていても構わない。また、送電用コイル１６を構成する平面コイルの数が多いほど、磁場が相対的に強い領域を多くの箇所に分散させることができ、渦電流に起因する発熱の抑制効果が高まると考えられる。

以上説明した第１実施形態のように、電池１０は、受電用コイル１１を用いて電磁誘導方式で外部から受電して蓄電部１４を充電し、且つ、送電用コイル１６を用いて電位誘導方式で外部に放電する。これにより、電池１０は、外部（前述の充電装置２００や受電装置３００）との物理的な電気的接点を用いなくとも充放電することができる。これにより、仮に受電装置３００が水中で用いられる懐中電灯などの装置であったとしても、電気的接点が水分に接触しないため、受電装置３００に装着する電池１０の新品との交換や、受電装置３００に装着した電池１０の充電を水中で行うことが可能となる。また、受電装置３００においては、受電用コイル３０１と、受電用コイル３０１を用いて受電した電力を用いて動作する構成を少なくとも有していればよく、受電装置３００の構成も簡単である。
また、電池１０は、送電用コイル１６を前述の設計で複数の平面コイルを用いて構成したから、受電装置３００への給電を効率的に行いつつも、外部にある導体の発熱を抑えることに貢献させることができる。

［第２実施形態］
上述した第１実施形態では、受電用コイル１１及び送電用コイル１６を平面コイルを用いて構成していたが、この第２実施形態では、空芯のソレノイドコイルを用いて送電用コイルを構成する。この実施形態の電池１０の回路構成は図１と同じでよい。以下、第１実施形態と対応する構成の符号の末尾に「ａ」を付して現す。
図１１は、電池１０における受電用コイル１１ａ及び送電用コイル１６ａの周辺の構成を説明する図であり、図１１（ａ）は、電池１０の充電時における受電用コイル１１ａの周辺の構成を示し、図１１（ｂ）は、電池１０の放電時における送電用コイル１６ａの周辺の構成を示す。図１１（ａ）においては、電池１０のうち充電時の動作に関わる部分だけを図示し、図１１（ｂ）においては、電池１０のうち放電時の動作に関わる部分だけを図示しているが、図示していない部分の構成は図１と同じであってよい。

まず、充電時の動作を説明する。図１１（ａ）に示すように、充電装置２００の送電用コイル２０１ａと、電池１０の受電用コイル１１ａとは、互いの内径を異ならせるようにそれぞれ線材を螺旋状に巻き回した空芯のソレノイドである。図１１（ａ）に示すように、ここでは、送電用コイル２０１ａの内部に発生した磁場が受電用コイル１１ａの内部を通過しやすいように、送電用コイル２０１ａよりも受電用コイル１１ａの方が内径が大きい。充電時においては、送電用コイル２０１ａが受電用コイル１１ａの内部に位置するように挿入されることとなる。

次に、放電時の動作を説明する。図１１（ｂ）に示すように、電池１０の送電用コイル１６ａのソレノイドコイル１６１ａと、ソレノイドコイル１６２ａと、受電装置３００の受電用コイル３０１ａとは、互いの内径を異ならせるように、それぞれ線材を螺旋状に巻き回して空芯のソレノイドを構成する。図１１（ｂ）に示すように、ここでは、送電用コイル１６ａの内部に発生した磁場が受電用コイル３０１ａの内部を通過しやすいように、受電用コイル３０１ａよりもソレノイドコイル１６１ａ，１６２ａの方が内径が大きい。また、ソレノイドコイル１６１ａよりもソレノイドコイル１６２ａの方が内径が大きく、ソレノイドコイル１６２ａの内部にソレノイドコイル１６１ａが位置した構成になっている。放電時においては、受電用コイル３０１がソレノイドコイル１６１ａ，１６２ａの内部に位置するように挿入されることとなる。
ここでは説明を省略するが、この実施形態の電池１０であっても、受電用コイル１１ａ及び送電用コイル１６ａは内部が密閉された筐体１８内に設けられる構成となっている。

この実施形態では、送電用コイル１６ａとしてソレノイドコイルを用いているが、前述した第１実施形態のように平面コイルを用いた場合と同様に、放電時においては、ソレノイドコイル１６１ａ，１６２ａとの電磁結合が生じることとなる。よって、ソレノイドコイル１６１ａ，１６２ａの条件を上述の第１実施形態と同じにし、ソレノイドコイル１６１ａと１６２ａとの線材の長さの差をどちらか一方の外周（１周分）の長さ未満とすることで、上述した第１実施形態と同等の作用により、渦電流に起因する発熱の抑制効果を奏すると考えられる。また、ソレノイドコイル１６１ａ，１６２ａの内径を同じにして、互いの線材を沿わせるようにしてもよい（例えば、複数の線材を束ねる）。また、ソレノイドコイルを用いた場合も、送電用コイル１６ａをｍ（ただし、ｍ≧２）個のソレノイドで構成してよい。
また、この第２実施形態の電池１０によれば、鉄芯を内部に設けたソレノイドを用いたトランスとは異なり、鉄芯ロスが生じないため、鉄芯ロスに起因した発熱も生じない。また、この電池１０では、鉄芯ロスに起因した給電効率の低下も生じない。また、この実施形態の電池１０においても、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも充放電することができる。

［第３実施形態］
上述した第１及び第２実施形態では、電池１０は、電磁誘導方式で充電装置２００から受電していたが、これ以外の非接触給電方式で受電してもよい。例えば、電池１０は、電界結合方式で充電装置から受電してもよい。以下、第１実施形態の電池１０に、電界結合方式で充電する構成を適用した態様を説明する。

図１２は、この実施形態の電池１０の電気的な構成を示すブロック図である。電池１０は受電用電極２１，２２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、過充電保護回路１３と、蓄電部１４と、インバータ回路１５と、送電用コイル１６と、駆動回路１７とを備えている。過充電保護回路１３と、蓄電部１４と、インバータ回路１５と、送電用コイル１６と、駆動回路１７の構成及び動作は上述した各実施形態と同じでよいから、ここではその説明を省略する。

受電用電極２１，２２は、それぞれ平板状の導電体であり、それぞれがＡＣ／ＤＣコンバータ１２と電気的に接続されている。受電用電極２１，２２は、筐体１８内において外部空間の近くに配置され、外部からの受電がしやすい位置に設けられている。以上の構成の受電用電極２１，２２は、電池１０の外部との物理的な電気的接点を用いずに受電する受電部として機能する。

図１３は、電池１０の充電を行うときの動作を説明する図である。図１３においては、電池１０のうち充電時の動作に関わる部分だけを図示しているが、図示していない部分の構成は図１２と同じであってよい。
充電時においては、ユーザは、電池１０を電界結合方式で非接触給電を行う充電装置２００に近づける。充電装置２００は、例えば非接触給電を行う卓上タイプの充電装置であるが、少なくとも電界結合方式で送電するための送電用電極２０２，２０３を筐体の表面近くに有している。送電用電極２０２，２０３間の距離は、受電用電極２１，２２間の距離と等しい。さらに、充電時には、送電用電極２０２と受電用電極２１とが平行に対向し、且つ、送電用電極２０３と受電用電極２２とが平行に対向するように、充電装置２００及び電池１０は構成されていることが好ましい。充電時においては、送電用電極２０２と受電用電極２１とが対向することで結合コンデンサが構成され、送電用電極２０３と受電用電極２２とが対向することで結合コンデンサが構成されて、電界結合方式の給電が行われ、受電用電極２１，２２は交流電圧を発生させる。受電用電極２１，２２は、この受電により発生した交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータ１２に出力し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２及び過充電保護回路１３を介して蓄電部１４に充電される。

電池１０のこれ以外の構成及び動作は上述した第１実施形態と同じである。この実施形態の電池１０においても、上述した第１実施形態と同等の作用により、渦電流に起因する発熱の抑制効果を奏すると考えられる。また、電池１０は、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも充放電することができる。
この実施形態の電池１０において、上述した第２実施形態のように、送電用コイル１６をソレノイドコイルを用いて構成してもよい。また、電池１０は、本実施形態のように電界結合方式で受電する構成と、上述した第１，第２実施形態のように電磁誘導を利用して受電する構成とを併用してもよい。

［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態で実施することが可能である。本発明は、例えば、以下のような形態で実施することも可能である。また、以下に示す変形例は、各々を適宜に組み合わせてもよい。
（変形例１）
上述した各実施形態では、本発明の充放電装置を電池に適用した態様を説明した。これ以外にも、例えば、本発明の充放電装置を、非接触給電で充放電を行う卓上タイプの充放電装置として提供してもよい。この充放電装置１００は、電池１０の場合と同等の構成を有していればよい。また、充放電装置１００は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブルなどの充電用ケーブルを用いて充電する電気機器の充電に使用することもできる。この場合、電気機器を収容するケースに受電用コイル３０１と、この受電用コイル３０１と電気的に接続された充電用ケーブルとを設けておく。そして、電気機器を充電するときには、電気機器に充電用ケーブルを接続した状態で、電気機器をケースに入れておき、電気機器が収容されたケースを充放電装置１００の送電用コイル１６，１６ａに近づければよい。

（変形例２）
変形例１の充放電装置において、充電を行うための構成としては電気的な接点を用いてもよい。以下、第１実施形態の電池１０に電気的な接点を用いた充電を行うための構成を適用した態様を説明する。

図１４は、この変形例の充放電装置１００の回路構成を示す図である。充放電装置１００は、受電用コイル１１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、過充電保護回路１３と、蓄電部１４と、インバータ回路１５と、送電用コイル１６と、駆動回路１７とのほか、電源プラグ３１と、電源制御部３２と、太陽電池３３とを備えている。電源プラグ３１は、商用電源と接続されたコンセントと電気的に接続する接続端子である。電源制御部３２は、電源プラグ３１を介して商用電源から入力された交流電圧を制御して、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２に出力する。太陽電池３３は、過充電保護回路１３と電気的に接続され、光起電力効果を利用して光エネルギーを電力に変換する電力機器である。太陽電池３３は、光起電力効果を利用して得た電圧を過充電保護回路１３に出力する。過充電保護回路１３は、太陽電池３３から入力された電圧を蓄電部１４に出力する。このように商用電源や太陽電池を併用して充放電装置１００の充電を行うことで、充電時間の短縮などの効果を奏する。
この変形例のように、電源プラグ３１と、電源制御部３２と、太陽電池３３とを用いる構成は、上述した第１〜３実施形態のように電池１０として提供される充放電装置に適用してもよい。また、充放電装置１００は、商用電源から充電する構成と、太陽電池を用いて充電する構成との一方のみを有していてもよいし、電気的接点を用いた他の方法で蓄電部１４を充電するようにしてもよい。

（変形例３）
上述した第１，３実施形態の電池１０において、送電用コイル１６を平面コイル１６１，１６２を用いて構成していたが、平面コイルが１つだけの構成としても、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも充放電することができる。また、上述した第２実施形態の電池１０において、送電用コイル１６ａをソレノイドコイル１６１ａ，１６２ａを用いて構成していたが、空芯のソレノイドコイルを１つだけとした構成としても、外部との物理的な電気的接点を用いなくとも充放電することができる。

（変形例４）
上述した各実施形態の電池１０において、電磁誘導方式で給電を行うために送電用コイル１６，１６ａを用いていたが、電界結合方式で非接触の給電を行ってもよい。この場合、電池１０は、送電用コイル１６，１６ａに代えて、蓄電部１４及びインバータ回路１５と電気的に接続された送電用電極（送電用電極２０２，２０３と同等でよい。）を有していてもよい。この場合の受電装置３００は、受電用電極２１，２２と同等の受電用電極を有し、電池１０の送電用電極とこの受電用電極とで結合容量を構成すればよい。

（変形例５）
上述した第１，第３実施形態では、電池１０が有する平面コイルは円形であったが、外周が円形でなくてもよく、例えば楕円形であってもよいし、六角形や八角形などの等の多角形であってもよく、平面コイルと観念される限りその形状は特定の形状に限定されない。

（変形例６）
上述した第１，第３実施形態では、送電用コイル１６が並列接続された複数の平面コイルを有し、１の駆動回路１７がこれらの複数の平面コイルに交流電流を流していた。これに代えて、送電用コイル１６が有する２以上の平面コイルを並列接続せずに、電池１０において、平面コイル毎に独立して駆動回路１７が設けられてもよい。この構成であっても、複数の駆動回路が、各平面コイルに共通の周波数の交流電流を流せば、上述した実施形態と同等の作用効果を奏する。また、この場合の電池１０において、送電用コイル１６が有する平面コイルに同じ電流値の交流電流を流す構成でなくてもよく、平面コイル毎に電流値が異なっていてもよい。上述した第２実施形態の電池１０でも同様の変形が可能であり、送電用コイル１６ａが有する複数のソレノイドコイルが互いに並列接続されていなくてもよいし、これらの複数のソレノイドコイルに流れる交流電流の電流値が互いに異なっていてもよい。
また、電池１０において、送電用コイル１６，１６ａが有する複数のコイルにおける交流電流の位相差を検知する検知回路を設け、この位相差を小さくするように送電用コイル１６，１６ａが有する複数のコイルに流す交流電流の位相を制御してもよい。

１０…電池、１００…充放電装置、１０１…回路基板、１０２ａ，１０２ｂ…第１の磁性シート、１０３ａ，１０３ｂ…スペーサ、１０４…第２の磁性シート、１０５…放熱板、１１…受電用コイル、１２…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１３…過充電保護回路、１４…蓄電部、１５…インバータ回路、１６，１６ａ…送電用コイル、１６１，１６２…平面コイル、１６１ａ，１６２ａ…ソレノイドコイル、１７…駆動回路、１８…筐体、２００…充電装置、２０１，２０１ａ…送電用コイル、２０２，２０３…送電用電極、３００…受電装置、３０１，３０１ａ…受電用コイル、３０２…発光ダイオード、３１…電源プラグ、３２…電源制御部、３３…太陽電池

Claims (7)

1. 内部を密閉した筐体と、
   外部から受電する受電部と、
   前記受電部と電気的に接続され、前記受電部の出力電圧を用いて蓄電する蓄電部と、
   前記蓄電部と電気的に接続され、同一の点の周りに同一平面上で線材を巻き回したｍ個（ただし、ｍ≧２）の平面コイルを径方向内側から外側に向かって配置した送電用コイルと、
   前記蓄電部の出力電圧を交流電圧に変換し、前記筐体外に磁場を発生させる交流電流を前記ｍ個の平面コイルに流す駆動回路と
   を備え、
   前記受電部、前記蓄電部、前記送電用コイル及び前記駆動回路が前記筐体内に設けられている
   充放電装置。
2. 内部を密閉した筐体と、
   外部から受電する受電部と、
   前記受電部と電気的に接続され、前記受電部の出力電圧を用いて蓄電する蓄電部と、
   前記蓄電部と電気的に接続された空芯のソレノイドコイルを有する送電用コイルと、
   前記蓄電部の出力電圧を交流電圧に変換し、前記筐体外に磁場を発生させる交流電流を前記送電用コイルに流す駆動回路と
   を備え、
   前記受電部、前記蓄電部、前記送電用コイル及び前記駆動回路が前記筐体内に設けられている
   充放電装置。
3. 前記送電用コイルの内側からｋ−１番目及びｋ番目（ただし、２≦ｋ≦ｍ）の平面コイルの前記線材の長さの差が、当該ｋ番目の平面コイルの外周の長さ未満である
   請求項１に記載の充放電装置。
4. 前記送電用コイルの内側からｋ−１番目及びｋ番目（ただし、２≦ｋ≦ｍ）の平面コイルに直流電流を流したとき、前記径方向において、当該ｋ番目の平面コイルの内周に対応した位置の強度が当該位置の両側の強度よりも高い静磁場が発生する
   請求項１又は３に記載の充放電装置。
5. 前記受電部は、
   受電用コイルと、前記受電用コイルと電気的に接続され、前記筐体外で発生させられた磁場に応じた電磁誘導により前記受電用コイルから出力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとを有し、
   前記蓄電部は、
   前記コンバータと電気的に接続され、前記コンバータから出力された直流電圧を用いて蓄電する
   請求項１から４のいずれか１項に記載の充放電装置。
6. 前記受電部は、
   受電用電極と、前記受電用電極と電気的に接続され、前記筐体外の送電用電極との電界結合により前記受電用電極から出力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとを有し、
   前記蓄電部は、
   前記コンバータと電気的に接続され、前記コンバータから出力された直流電圧を用いて蓄電する
   請求項１から５のいずれか１項に記載の充放電装置。
7. 前記蓄電部は、
   前記筐体に設けられた太陽電池から入力された電圧、又は、商用電源から入力された電圧を用いて蓄電する
   請求項１から６のいずれか１項に記載の充放電装置。

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