JP2015019495A

JP2015019495A - 無接点給電機構

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Publication number: JP2015019495A
Application number: JP2013144709A
Authority: JP
Inventors: 太田　文夫; Fumio Ota; 文夫太田; 弘江馬; Hiroshi Ema
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-29

Abstract

【課題】給電効率が高い無接点給電機構を提供する。
【解決手段】一次コイルを備えた給電装置と、二次コイル３を備えた受電装置Ｂと、を備えている。一次コイルは、一次コアと、一次コアに巻かれた巻線と、を備え、二次コイル３は、二次コア３１と、二次コア３１に巻かれた巻線３２と、を備えている。一次コアは、互いの軸心が平行となり、互いの間に空間が形成されるよう構成された一対の対向部を備えている。給電状態では、対向部の軸心と二次コア３１の軸心とが平行となるように、二次コイル３は一対の対向部の間に配置される。受電装置Ｂは、二次コア３１の端面３１ｃに密接し、端面３１ｃの面積よりも大きな磁性シート５を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、無接点給電機構、特に、電磁誘導を用いた無接点給電機構に関する。

従来、携帯電話をはじめとする携帯機器等のコードレス電気機器は、充電池を内蔵しており、クレードルやＡＣアダプタ等の充電機器を用いて充電を行っていた。このような充電方式では、電気機器側の接点と充電機器側の接点とを接触させ、電気的に導通させることによって給電および充電が行われている。

近年、このような接点どうしを接触させることなく給電を行う無接点給電（無接触給電）方式が採用されつつある。無接点給電方式では、外部に露出する接点がないため、接点の接触不良が生じるおそれがなく、また、防水が容易になる等の利点がある。

現在、無接点給電には、電磁誘導方式，電波方式，電磁界共鳴方式が用いられている。電磁誘導方式では、電気機器側に二次コイルを備え、給電機器側に一次コイルを備えている。給電機器から電気機器に給電する際には、一次コイルと二次コイルとが対向するように、給電機器と電気機器とを配置する。そして、一次コイルに電流を供給し、一次コイルに磁束を発生させる。この磁束によって二次コイルに電磁誘導による起電力が生じる。これにより、電気機器は電力供給を受けることができる。

従来の電磁誘導方式の無接点給電機構は、特許文献１に示されているような一次コイルおよび二次コイルを渦巻き状の平面コイルとして形成し、給電時にはこれらを対向配置している。

また、特許文献２，３では、二次コイルを棒状（円弧状）に形成し、二次コイルの両端部を一次コイルの端部で挟み込む構成となっている。

特開２０１２−１９９５０５号公報特開平９−２３８４２８号公報特開２００５−１３７１７３号公報

しかしながら、特許文献１のような平面コイルを用いた場合、コイルの位置ずれにより給電効率が低下する問題があった。また、特許文献２，３のような構成のコイルを用いた場合であっても、二次コイルに作用する磁束は強くなるが、二次コイルの軸心に直交する方向に対する位置ずれが生じた場合には給電効率は低下するおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、給電効率が高い無接点給電機構を提供することにある。

本発明の無接点給電機構の好適な実施形態の一つでは、電気機器に電力を供給する受電装置と、前記受電装置に電力を供給する給電装置と、を備え、前記給電装置は、一次コイルを備え、前記受電装置は、二次コイルを備え、前記一次コイルは、磁性材料からなる一次コアと、導電性材料からなり、前記一次コアに巻かれた巻線と、を備え、前記二次コイルは、磁性材料からなる二次コアと、導電性材料からなり、前記二次コアに巻かれた巻線と、を備え、前記一次コアは、互いの軸心が平行となり、互いの間に空間が形成されるよう構成された一対の対向部を備え、給電状態において、前記対向部の軸心と前記二次コアの軸心とが平行となるように、前記二次コイルは前記一対の対向部の間に配置され、前記受電装置は、前記二次コアの端面に密接し、当該端面の面積よりも大きな磁性シートを備える。

この構成では、二次コイルが一次コイルの一対の対向部に挟み込まれるように配置されるため、二次コイルに作用する磁束を強くすることができる。また、二次コアの端面に、その端面の面積よりも大きな磁性シートが密接されているため、磁性シートに放射された磁束も二次コアに流れる。すなわち、上述の構成のような磁性シートを設けることにより、二次コアに作用する磁束を増大させることができ、給電効率を高めることができる。

また、上述の構成では、一次コイルからの磁束に対する磁気抵抗は、磁性シートを貫通する方向よりも、その面に沿う方向の方が低くなっている。そのため、磁性シートに放射された磁束のうち、磁性シートを貫通する磁束よりも、磁性シートの面に沿って流れる磁束が多くなる。磁性シートの面に沿って流れた磁束は、二次コアの端面との密接部分から二次コアに流れる。したがって、この構成では、磁性シートに放射された磁束のうち、二次コアに流れる磁束、すなわち、給電に寄与する磁束の割合を高めることができる。これにより、給電効率を高めることができる。

本発明の無接点給電機構の好適な実施形態の一つでは、前記磁性シートは可撓性を有する。このような磁性シートを用いれば、磁性シートを一次コアの端面に対して、近接または離間するように撓ませることができる。例えば、一次コアの対向部の端面の間の空間の大きさが異なる一次コイルを用いる場合に、その空間の大きさに応じて磁性シートを撓ませれば、磁性シートと一次コアの対向部の端面との距離を一定に維持することができる。これにより、一次コイルと二次コイルとの距離に起因する給電効率の低下を抑制することができる。

一般的に、受電装置は、二次コイルに生じた起電力を電力に変換する受電回路をはじめとする金属部材を備えている。このような金属部材に対して磁束が作用することは好ましくない。そのため、本発明の無接点給電機構の好適な実施形態の一つでは、前記受電装置は、前記二次コイルと並列配置された金属部材を備え、前記磁性シートは前記二次コイルの端面と前記金属部材の端面とを覆っている。この構成では、磁性シートによって、金属部材に到達する磁束を低減することができ、金属部材を保護することができる。

本発明の無接点給電機構の好適な実施形態の一つでは、前記二次コイルは、受電回路に電気的に接続される接続端子を備え、前記接続端子は、前記二次コアの端面よりも内側に配置されている。この構成では、接続端子を設けても、二次コアの端面を露出させることができる。そのため、二次コアの端面と磁性シートとを密接させることができる。

無接点給電機構の概略図である。一次コイルの対向部の拡大図である。受電装置の概略図である。磁性シートを備えない二次コイルと磁束との関係を示す図である。磁性シートを備える二次コイルと磁束との関係を示す図である。

以下に図面を用いて、本実施形態における無接点給電機構を説明する。図１は、本実施形態における無接点給電機構の概略図である。図に示すように、無接点給電機構は、電気機器（図示せず）に電力を供給する受電装置Ｂと、受電装置Ｂに電力を供給する給電装置Ａと、から構成されている。給電装置Ａは、電磁誘導により、受電装置Ｂに電力を供給する。給電装置Ａは、例えば、商用電力に接続された充電器等の電力供給機器に内蔵される。一方、受電装置Ｂは、携帯電話，携帯端末，電動歯ブラシ等の電気機器に内蔵される。

〔給電装置〕
給電装置Ａは、一次コイル１と、商用電源等からの電力によって一次コイル１を駆動する給電回路２と、を備えている。また、一次コイル１は、フェライト等の磁性材料からなる一次コア１１と、導電性材料からなり、一次コア１１に巻かれた巻線１２と、を備えている。給電回路２の構成は周知であるため、説明は省略する。

本実施形態における一次コア１１は、基部１１ａと、一対の延出部１１ｂと、一対の対向部１１ｃと、を備えている。一対の延出部１１ｂは、基部１１ａの両端部のそれぞれから延出している。また、対向部１１ｃは、それぞれの延出部１１ｂの端部から互いに略対向するように延出している。一対の対向部１１ｃの端面１１ｄの間には空間Ｓが形成されている。本実施例では、一対の端面１１ｄは互いに平行かつ対向するように構成されている。

図に示すように、本実施形態では、基部１１ａ，延出部１１ｂ，対向部１１ｃはいずれも円弧状であり、互いに滑らかに接続されている。このような一次コア１１は、トロイダルコアの一部を切断することにより製造することができる。なお、一対の端面１１ｄどうしを平行かつ対向させるためには、切断中心の前後が均等となり、切断面が平行となるように、切断すればよい。このように、トロイダルコアの一部を切断することにより一次コア１１を形成すれば、安価に一次コア１１を製造することができる。

上述したように、一対の対向部１１ｃは互いに対向するように構成されているが、より具体的には、互いの軸心が平行となるように構成されている。なお、ここでの平行とは、厳密な平行だけではなく、互いの軸心が微小角度δで交差する場合も含まれている。

図２は、コア１の対向部１１ｃ付近の拡大図である。上述したように、本実施例における対向部１１ｃは円弧状であるため、軸心も円弧状となる。しかし、対向部１１ｃを微小領域に分割し、各微小領域における軸心方向は各微小領域における接線方向で近似することができる。例えば、端面１１ｄにおける軸心方向は、端面１１ｄにおける対向部１１ｃの接線方向となる。図２では、端面１１ｄの接線方向を対向部１１ｃの軸心方向として表している。図に示すように、本実施例のコア１では、一対の対向部１１ｃのそれぞれの軸心ｘ１，ｘ２は微小角度δで交差している。このような場合であって、一対の対向部１１ｃの軸心は平行であるとみなす。

〔受電装置〕
図３に示すように、受電装置Ｂは、一次コイル１によって発生された磁束に基づいて起電力を生じさせる二次コイル３と、二次コイル３の起電力を電力に変換する受電回路４（本発明の金属部材の例）と、を備えている。受電回路４は、電気素子等から構成された公知の回路であるため、詳細は省略する。給電時には、一次コイル１と二次コイル２とが図１に示す位置関係となるように、給電装置Ａと受電装置Ｂと、すなわち、電力供給機器と電気機器と、が位置決めされる。

二次コイル３は、フェライト等の磁性材料からなる二次コア３１と、導電性材料からなり、二次コア３１に巻かれた巻線３２と、を備えている。二次コア３１は、略棒状であり、軸部３１ａと、軸部３１ａの両端部に形成された軸部３１ａより大径の大径部３１ｂと、を備えている。

軸部３１ａと大径部３１ｂとの境界付近に一対の接続端子６が設けられている。接続端子６は、金属等の導電性材料からなり、巻線３２と受電回路４とを電気的に接続している。接続端子６は、中心部が開口した略円板状であり、開口部分に軸部３１ａが挿通するように取付けられている。接続端子６をこのように配置することによって、大径部３１ｂの端面、すなわち、二次コア３１の端面３１ｃを露出させることができる。

受電装置Ｂは、このようにして露出した二次コア３１の端面３１ｃに密接された磁性シート５を備えている。なお、本発明における密接とは、完全に密着配置された状態だけでなく、若干の隙間（例えば、０．５ｍｍ以下）を有するように配置される状態をも含んでいる。

この磁性シート５は、二次コア３１の端面３１ｃの面積に比べて大きな面積を有している。具体的には、磁性シート５は、二次コア３１の端面３１ｃと、二次コア３１に並列配置された受電回路４の端面４１とを覆うのに十分な面積を備えている。すなわち、二次コア３１と受電回路４とは、一対の磁性シート５の間に挟み込まれている。また、磁性シート５の面積は、一次コア１１の端面１１ｄの面積と同じ、または、それより大きいことが好ましい。

図４，５には、給電装置Ａ（一次コイル１）によって生じた磁束と二次コイル３との関係が示されている。図中で磁束は点線で示されているが、その方向は」省略している。なお、図４，５における二次コイル３（受電装置Ｂ）は、磁性シート５の有無を除いて同じ構成となっている。

図４に示すように、磁性シート５を備えない場合には、一次コア１１の端面１１ｄのうち、二次コア３１の端面３１ｃに略対向する領域Ｒ１から放射される磁束は、二次コイル３に作用する。一方、一次コア１１の端面１１ｄのうち、領域Ｒ１以外の領域Ｒ２から放射される磁束は、二次コイル３に作用しない。すなわち、磁性シート５を備えない場合には、一次コア１１の端面１１ｄから放射される磁束のうち、二次コイル３に作用する磁束、すなわち、給電に寄与する磁束の割合は、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）だけである。ここで、Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ、領域Ｒ１，Ｒ２の面積である。

一方、図５に示すように、磁性シート５を二次コア３１の端面３１ｃに密接した場合には、一次コア１１の端面１１ｄのうち、二次コア３１の端面３１ｃに略対向する領域Ｒ３から放射される磁束は、二次コイル３に作用する。一方、一次コア１１の端面１１ｄのうち、領域Ｒ３以外の領域Ｒ４から放射される磁束は、磁性シート５に向けて放射される。本実施形態では、上述のように構成しているため、一次コイル１からの磁束に対する磁気抵抗は、磁性シート５を貫通する方向よりも、その面に沿う方向の方が低くなっている。そのため、磁性シート５に放射された磁束のうちの大部分は、磁性シート５の面方向に沿って流れる。そして、二次コア３１の端面３１ｃとの密接部分から二次コア３１に流れる。すなわち、磁性シート５を二次コア３１の端面３１ｃに密接させた場合には、一次コア１１の端面１１ｄから放射される磁束の大部分が二次コイル３に作用し、給電効率を高めることができる。

また、受電回路４は、磁性シート５によって一次コア１１の端面１１ｄから遮蔽されているため、受電回路４を磁束の影響から保護することができる。さらに、磁性シート５の面積を二次コア３１の端面３１ｃの面積よりも大きくすることにより、２次コイル３の軸心方向に直交する面内での、一次コイル１に対する二次コイル３の位置ずれによる給電効率の低下を抑制することができる。

磁性シート５の物性に特に制限はないが、可撓性を有することは好ましい。磁性シート５が可撓性を有すれば、磁性シート５を一次コア１１の端面１１ｄに対して、近接または離間する方向に撓ませることができる。これにより、端面１１ｄ間の空間Ｓの大きさが異なる一次コア１１を有する給電装置Ａを用いる場合でも、空間Ｓの大きさに応じて磁性シート５を撓ませることにより、給電効率の低下を抑制することができる。なお、磁性シート５と二次コア３１との密接は維持する必要があるため、磁性シート５のうち、この密接部分以外の領域を撓ませる。

本発明は、携帯電話，携帯端末，電動歯ブラシ，無線ヘッドセット等の小型電気機器の無接点給電機構に利用することができる。

Ａ：給電装置
Ｂ：受電装置
Ｓ：空間
ｘ１：軸心
ｘ２：軸心
１：一次コイル
１１：一次コア
１１ｃ：対向部
１１ｄ：端面
１２：巻線
２：給電回路
３：二次コイル
３１：二次コア
３１ｃ：端面
３２：巻線
４：受電回路（金属部材）
４１：端面
５：磁性シート
６：接続端子

Claims

電気機器に電力を供給する受電装置と、
前記受電装置に電力を供給する給電装置と、を備え、
前記給電装置は、一次コイルを備え、
前記受電装置は、二次コイルを備え、
前記一次コイルは、
磁性材料からなる一次コアと、
導電性材料からなり、前記一次コアに巻かれた巻線と、を備え、
前記二次コイルは、
磁性材料からなる二次コアと、
導電性材料からなり、前記二次コアに巻かれた巻線と、を備え、
前記一次コアは、互いの軸心が平行となり、互いの間に空間が形成されるよう構成された一対の対向部を備え、
給電状態において、前記対向部の軸心と前記二次コアの軸心とが平行となるように、前記二次コイルは前記一対の対向部の間に配置され、
前記受電装置は、前記二次コアの端面に密接し、当該端面の面積よりも大きな磁性シートを備えている無接点給電機構。
前記磁性シートは可撓性を有する請求項１記載の無接点給電機構。
前記受電装置は、前記二次コイルと並列配置された金属部材を備え、
前記磁性シートは前記二次コイルの端面と前記金属部材の端面とを覆っている請求項１または２記載の無接点給電機構。
前記二次コイルは、受電回路に電気的に接続される接続端子を備え、
前記接続端子は、前記二次コアの端面よりも内側に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の無接点給電機構。