JP2014230441A - 非接触電力伝送コイル及び非接触充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電効率を確保しながら、給電コイルに対する受電コイルの設置を容易に行い得る非接触電力伝送コイルを提供する。
【解決手段】給電側コア５の内周面に給電コイル２を取着し、受電側コア７の外周面に受電コイル３を取着し、受電コイル３を給電コイル２の内周側に挿通して、給電コイル２から受電コイル３に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送コイルにおいて、受電コイル３を、給電コイル２の径方向内側において任意位置で挿通可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電池を備えた電動工具や、その他の電気機器の充電池を非接触状態で充電する非接触充電装置に関するものである。

従来、商用電源を供給するための電源コードを具備せず、内蔵された充電池を電源として動作する仕様とした電動工具が実用化されている。このような電動工具では、電動工具の本体に設けられた金属接点に充電装置の充電端子を電気的に接続することにより、充電池を充電するようにした構成が一般的である。

このように、充電池と充電装置を機械的な接点を介して電気的に接続して充電する構成では、接点の汚れ等に起因する充電不良や充電装置の静電破壊等が発生することがある。
近年では、充電装置側に設けられる給電コイルと、電動工具側に設けられる受電コイルとを磁気結合させることにより、機械的接点を必要とすることなく非接触で充電池を充電可能とした非接触充電装置が実用化されている。

図６に示すように、給電コイルと受電コイルを平板状のコア３１ａ，３１ｂ上に設けた平面型コイルで形成し、両コイルを相対向させて磁気結合させるようにした非接触充電装置では、両コイルがコア３１ａ，３１ｂの表面方向に沿って位置ずれすると、結合係数が大きく変化する。

具体的には、４２ｍｍの正方形状のコア３１ａ，３１ｂ上に形成されたコイルを４ｍｍの間隔を隔てて正対させた場合の結合係数ｋは０．６１８であるのに対し、両コイルの位置をコア３１ａ，３１ｂの表面方向に沿って３ｍｍスライドさせた場合の結合係数ｋは０．５０９となる。従って、結合係数変化率Ｒが大きく、給電コイルと受電コイルがずれた状態では給電効率が低下する。

そこで、給電コイルと受電コイルを同心軸上に位置する構成として給電効率を向上させるようにした構成が提案されている。
特許文献１には、二次側コイルを筒状のコアの内周面に備え、コア内に挿通可能とした柱部に一次側コイルを備えた非接触給電カプラが開示されている。

特許文献２には、一次コイルユニットを二次コイルユニットに嵌合して給電する電磁誘導型コネクタが開示されている。
特許文献３，４には、同心軸上に位置する一次側コイルと二次側コイルとを備えた非接触型トランスが開示されている。

特許文献５には、一次側のコアと二次側のコアとが軸方向に隣接する位置に配設される給電システムが開示されている。

特開２００３−２０９０２０号公報 特開２０００−１１４０８０号公報 特開２０００−２８６１３８号公報 特開平７−３２２５３４号公報 特開２００７−１２４７５４号公報

特許文献１に開示された構成では、一次側コアの棒状ガイド部を二次側コアのガイド孔に挿通して、一次側コイルを二次側コイルの内側に位置決めする必要があるため、その設置作業が煩雑である。

特許文献２では、一次コイルユニットと二次コイルユニットとがほぼ同軸上に位置するように嵌合されるため、その嵌合作業が煩雑であるとともに、嵌合作業時の衝撃に耐え得る構造とする必要がある。

特許文献３，４では、一次側コイルと二次側コイルとを同心軸上に位置決めする構成が必要である。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は給電効率を確保しながら、給電コイルに対する受電コイルの設置を容易に行い得る非接触電力伝送コイルを提供することにある。

上記課題を解決する非接触電力伝送コイルは、給電側コアの内周面に給電コイルを取着し、受電側コアの外周面に受電コイルを取着し、前記受電コイルを前記給電コイルの内周側に挿通して、給電コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触電力伝送コイルにおいて、前記受電コイルを、前記給電コイルの径方向において任意位置で挿通可能とすることを特徴とする。

また、上記構成において、前記給電側コアと前記受電側コアを円筒状とすることが好ましい。
また、上記構成において、前記給電側コアと前記受電側コアの一方を円筒状とし、他方を円柱状とすることが好ましい。

また、上記構成において、前記給電側コアと前記受電側コアを多角形の筒状とすることが好ましい。
また、上記構成において、前記給電側コアを多角形の筒状とし、前記受電側コアを多角形の柱状とすることが好ましい。

また、上記構成において、前記給電側コアに、該給電側コアの端部と前記受電側コアとの間で磁路を生成するコア材を取着することが好ましい。
また、上記構成において、前記受電側コアに、該受電側コアの端部と前記給電側コアとの間で磁路を生成するコア材を取着することが好ましい。

また、上記構成において、前記受電側コアに、該受電側コアの端部と前記給電側コアとの間で磁路を生成するコア材を取着し、前記コア材を環状とすることが好ましい。
また、上記構成において、前記給電側コアに半球状の凹部を設け、該凹部の内周面に給電コイルを取着し、前記受電側コアを前記凹部に挿入可能とした半球状とし、該受電側コアの外周面に受電コアを取着することが好ましい。

また、上記構成において、前記給電側コアに円錐台状の凹部を設け、該凹部の内周面に給電コイルを取着し、前記受電側コアを前記凹部に挿入可能とした円錐台状とし、該受電側コアの外周面に受電コアを取着することが好ましい。

上記課題を解決する非接触充電装置は、受電コイルを外周に取着した受電側コアを備えた被充電機器と、内周面に給電コイルを取着した給電側コアを備え、前記給電コイルの内周側に前記受電コイルを挿通可能とした非接触充電器と備え、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触充電装置において、前記受電コイルを、前記給電コイルの径方向内側において任意位置で挿通可能としたことを特徴とする。

また、上記構成において、前記受電コイルを前記被充電機器のケースの内周面にプリント配線で形成することが好ましい。
また、上記構成において、前記受電コイルを前記被充電機器のケースの肉厚部分に埋め込むことが好ましい。

本発明の非接触電力伝送コイルによれば、給電効率を確保しながら、充電装置に対する被充電機器の設置を容易に行うことができる。

第一の実施形態の非接触充電装置を示す断面図である。 非接触電力伝送コイルを示す断面図である。 給電側コアを示す斜視図である。 受電側コアを示す斜視図である。 受電側コアを示す斜視図である。 結合係数と結合係数変化率を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は給電側コアに対する受電側コアのずれを示す説明図である。 給電側コアと受電側コアのずれに対する結合係数と結合係数変化率を示す説明図である。 第二の実施形態の給電側コアを示す斜視図である。 第二の実施形態の受電側コアを示す斜視図である。 第二の実施形態の受電側コアを示す斜視図である。 第二の実施形態の受電側コアを示す斜視図である。 第三の実施形態の非接触充電装置を示す断面図である。 第四の実施形態の受電コイルを示す断面図である。 第四の実施形態の受電コイルを示す断面図である。 第五の実施形態の給電側コア及び受電側コアを示す断面図である。 第五の実施形態の給電側コア及び受電側コアを示す断面図である。 第六の実施形態の非接触充電装置を示す斜視図である。 第六の実施形態の非接触充電装置を示す斜視図である。 第六の実施形態の非接触充電装置を示す斜視図である。 第六の実施形態の非接触充電装置を示す斜視図である。

（第一の実施形態）
以下、非接触充電装置の第一の実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図１に示す非接触充電装置は、上方を開口した非接触充電器１の底面上に給電コイル（一次側コイル）２が配設され、その給電コイル２の中心部に受電コイル（二次側コイル）３を備えた工具４の基端部を挿通可能となっている。工具４は、この実施形態では充電式ドリルドライバーである。

図２〜図４に示すように、前記給電コイル２は円筒状の給電側コア５の内周面に装着され、給電側コア５の底面側端部には底面コア材６が取着されて、給電側コア５の底面側が磁気的に閉じられている。

そして、充電動作時には非接触充電器１に設けられる給電部（図示しない）から給電コイル２に交流の励磁電流が供給される。
前記工具４の基端部には、円筒状の受電側コア７が取着され、その受電側コア７の外周面に前記受電コイル３が装着されている。受電側コア７の上端には環状の天板コア材８が取着されている。受電側コア７の中空部には受電回路等が収容される。

そして、工具４の基端部を非接触充電器１の底面に当接するまで挿入してその底面上に垂立させると、給電コイル２の内側において、受電コイル３が給電コイル２に対向するようになっている。また、工具４の外径は給電コイル２の内径より小さい径で形成され、給電コイル２と受電コイル３の軸心が一致する位置及び一致しない位置のいずれでも工具４を垂立可能である。

このように構成された非接触充電器１では、工具４の基端部を非接触充電器１に挿入して底面上に垂立させた状態で、給電コイル２に励磁電流を供給すると、給電側コア５から受電側コア７との間で磁力線Ｍの閉ループが生成される。すると、受電コイル３に電磁誘導電流が生成され、その電磁誘導電流に基づいて受電回路を介して工具４内の充電池が充電される。

図５は、円柱状の受電側コア９と、円板状の天板コア材１０を示す。図４に示す受電側コア７と天板コア材８に代えて使用可能である。
図６は、図３に示す給電側コア５及び底面コア材６と、図４あるいは図５に示す受電側コア７，９及び天板コア材８，１０からなる４種類の非接触電力伝送コイル１１ａ〜１１ｄの結合係数ｋと結合係数変化率Ｒを示す。

非接触電力伝送コイル１１ｃは、図２に示す構成であり、給電側コア５と受電側コア７とが正対するとき、すなわち給電側コア５と受電側コア７の軸心を一致させたときの結合係数ｋが０．９４３であり、給電側コア５と受電側コア７の軸心が３ｍｍずれた場合の結合係数ｋは０．９４５である。そして、結合係数変化率Ｒは０．１４％である。

非接触電力伝送コイル１１ｄは、非接触電力伝送コイル１１ｃから底面コア材６と天板コア材８を除いた構成であり、結合係数ｋと結合係数変化率Ｒは非接触電力伝送コイル１１ｃより若干低下するが、平板状のコア３１ａ，３１ｂ上に平面型コイルを設ける場合に比して結合係数ｋは十分に高く、結合係数変化率Ｒは十分に低い。

非接触電力伝送コイル１１ａは、図３に示す給電側コア５及び底面コア材６と、図５に示す受電側コア９及び天板コア材１０を使用した構成であり、結合係数ｋ及び結合係数変化率Ｒは最も優れている。

非接触電力伝送コイル１１ｂは、非接触電力伝送コイル１１ａから底面コア材６と天板コア材１０を除いた構成であり、結合係数ｋと結合係数変化率Ｒは非接触電力伝送コイル１１ａより若干低下するが、非接触電力伝送コイル１１ｄより優れている。

図８は、前記非接触電力伝送コイル１１ｃにおいて、受電側コア７と給電側コア５の軸心のずれに対する結合係数ｋと結合係数変化率Ｒの変化を示す。
図７（ａ）に示すように、給電側コア５と受電側コア７の軸心ｘが一致する場合をichi０とする。そして、この状態から図７（ｂ）に示すように受電側コア７の軸心をｘ方向に０．５ｍｍずつずらした場合と、図７（ｃ）に示すように受電側コア７の軸心をｙ方向に０．５ｍｍずつずらした場合の結合係数ｋと結合係数変化率Ｒの変化をシミュレーションしたものである。

図８に示すように、給電側コア５と受電側コア７の軸心がずれても、結合係数変化率Ｒは大きく変化しない。
上記のような非接触充電装置では、次に示す効果を得ることができる。
（１）給電コイル２及び給電側コア５の軸心と、受電コイル３及び受電側コア７，９の軸心がずれても、給電コイル２と受電コイル３の結合係数の変化を小さくすることができるとともに、結合係数変化率を小さくすることができる。
（２）工具４の基端部を非接触充電器１に挿入するとき、給電コイル２及び給電側コア５の軸心と、受電コイル３及び受電側コア７，９の軸心を一致させる必要がない。従って、非接触充電器１への工具４の設置を容易に行うことができる。
（３）受電側コア７若しくは同９と受電コイル３を備えた工具４の基端部を、給電側コア５及び給電コイル２に対し径方向に位置決めすることなく設置することができるので、非接触充電器１への工具４の設置を容易に行うことができる。
（４）受電側コア７，９を選択し、さらに天板コア材８，１０を取着するか否かを選択することにより、給電コイル２と受電コイル３の結合係数ｋと、結合係数変化率を調整することができる。
（５）筒状の受電側コア７及び環状の天板コア材１０により、非接触電力伝送コイルを軽量化することができる。
（第二の実施形態）
図９〜図１２は、第二の実施形態を示す。この実施形態は、非接触電力伝送コイルを構成する給電側コア及び受電側コアの断面形状を多角形状としたものである。

図９は、六角筒状の給電側コア１２を示し、図１０は給電側コア１２に対応する六角筒状の受電側コア１３を示す。
また、図１１は六角柱状の受電側コア１４を示す。給電側コア１２と受電側コア１３あるいは同１４を組み合わせて使用することにより、第一の実施形態と同様な結合係数と結合係数変化率を得ることができる。従って、第一の実施形態と同様な効果を得ることができる。

図１２に示すように、八角柱状の受電側コア１５と、八角筒状の給電側コアを組み合わせてもよい。
（第三の実施形態）
図１３は、第三の実施形態を示す。この実施形態は、工具４の先端部に受電側コア１６及び受電コイル３を設け、その工具４の先端部を非接触充電器１に保持する構成としたものである。

給電側コア１７には、底面コア材を取着せず、工具４の先端部を挿通した状態で保持可能とする。そして、受電コイル３を備えた工具４の先端部の外径は給電コイル２の内径より小さくして、給電コイル２の軸心と受電コイル３の軸心とが一致しない状態で工具４を保持可能とする構成は、第一の実施形態と同様である。このような構成により、第一の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。
（第四の実施形態）
図１４及び図１５は、第四の実施形態を示す。図１４に示すように、受電コイル３を工具４等の被充電機器の筒状のケース１８の内周面にプリント配線等で形成し、その受電コイル３の内周側に筒状の受電側コア７を配設してもよい。

また、図１５に示すように、筒状のケース１８の肉厚部分に受電コイル３を埋め込んだ状態で成形してもよい。
このような構成により、第一の実施形態と同様な効果を得ることができるとともに、被充電機器の外径を縮小することができるので、非接触充電器を小型化することができる。
（第五の実施形態）
図１６及び図１７は、第五の実施形態を示す。この実施形態は、給電側コアと受電側コアの変形例を示すものである。

図１６に示すように、給電側コア１９に半球状の凹部２０が形成され、その凹部２０の内周面に給電コイル２が設けられている。受電側コア２１は、前記凹部２０内に挿入可能とした半球状に形成され、その外周面に受電コイル３が取着されている。

このような構成により、受電コイル３の軸心と給電コイル２の軸心が給電側コア１９の径方向にずれた状態で設置しても、第一の実施形態と同様に結合係数の変化を小さくした非接触電力伝送コイルを構成することができる。

また、図１７に示すように、給電側コア１９の凹部２２を逆円錐台状とし、受電側コア２１を凹部２２に対応する逆円錐台状としても、同様な効果を得ることができる。
（第六の実施形態）
図１８〜図２１は、上記各実施形態に示す非接触電力伝送コイルを、充電式ドリルドライバー等の工具以外の被充電機器を充電する非接触充電装置に使用する場合を示す。

図１８に示すように、電動歯ブラシの柄の基端部に上記のような受電側コア及び受電コイル３を備え、その柄を挿通可能とした非接触充電器に上記のような給電側コア及び給電コイル２を設けた非接触充電装置を構成してもよい。

図１９に示すように、ヘアドライヤーの本体の先端部に上記のような受電側コア及び受電コイル３を備え、その先端部を挿通可能とした非接触充電器に上記のような給電側コア及び給電コイル２を設けた非接触充電装置を構成してもよい。

図２０に示すように、懐中電灯の柄の基端部に上記のような受電側コア及び受電コイル３を備え、その柄を挿通可能とした非接触充電器に上記のような給電側コア及び給電コイル２を設けた非接触充電装置を構成してもよい。

図２１に示すように、浴室用のコンセントに上記のような給電コイル２を埋め込み、上記のような受電コイル３を介して浴室内のテレビ等に電源を供給するようにしてもよい。このような構成では、防水性に優れた電源コンセントを構成することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・給電側コア及び受電側コアは、六角形及び八角形以外の多角形としてもよい。
・第一の実施形態において、図３に示すような筒状のコアを、基端側を筒状とした工具４に受電側コアとして取着し、図５に示すような円柱状のコアを給電側コアとして非接触充電器１の底面上に立設してもよい。このような構成により、受電側コアと受電コイルを備えた工具４の基端部を、給電側コア及び給電コイルに対し径方向に位置決めすることなく設置することができる。

１…非接触充電器、２…給電コイル、３…受電コイル、４…被充電機器（工具）、５，１２，１７，１９…給電側コア、７，９，１３，１６，２１…受電側コア。

Claims (13)

1. 給電側コアの内周面に給電コイルを取着し、受電側コアの外周面に受電コイルを取着し、前記受電コイルを前記給電コイルの内周側に挿通して、給電コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記受電コイルを、前記給電コイルの径方向において任意位置で挿通可能としたことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
2. 請求項１に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記給電側コアと前記受電側コアを円筒状としたことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
3. 請求項１に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記給電側コアと前記受電側コアの一方を円筒状とし、他方を円柱状としたことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
4. 請求項１に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記給電側コアと前記受電側コアを多角形の筒状としたことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
5. 請求項１に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記給電側コアを多角形の筒状とし、前記受電側コアを多角形の柱状としたことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記給電側コアに、該給電側コアの端部と前記受電側コアとの間で磁路を生成するコア材を取着したことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記受電側コアに、該受電側コアの端部と前記給電側コアとの間で磁路を生成するコア材を取着したことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
8. 請求項２に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記受電側コアに、該受電側コアの端部と前記給電側コアとの間で磁路を生成するコア材を取着し、前記コア材を環状としたことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
9. 請求項１に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
   前記給電側コアに半球状の凹部を設け、該凹部の内周面に給電コイルを取着し、前記受電側コアを前記凹部に挿入可能とした半球状とし、該受電側コアの外周面に受電コアを取着したことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
10. 請求項１に記載の非接触電力伝送コイルにおいて、
    前記給電側コアに円錐台状の凹部を設け、該凹部の内周面に給電コイルを取着し、前記受電側コアを前記凹部に挿入可能とした円錐台状とし、該受電側コアの外周面に受電コアを取着したことを特徴とする非接触電力伝送コイル。
11. 受電コイルを外周に取着した受電側コアを備えた被充電機器と、
    内周面に給電コイルを取着した給電側コアを備え、前記給電コイルの内周側に前記受電コイルを挿通可能とした非接触充電器と
    を備え、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触充電装置において、
    前記受電コイルを、前記給電コイルの径方向内側において任意位置で挿通可能としたことを特徴とする非接触充電装置。
12. 請求項１１に記載の非接触充電装置おいて、
    前記受電コイルを前記被充電機器のケースの内周面にプリント配線で形成したことを特徴とする非接触充電装置。
13. 請求項１１に記載の非接触充電装置おいて、
    前記受電コイルを前記被充電機器のケースの肉厚部分に埋め込んだことを特徴とする非接触充電装置。