JP2016012615A - コイルユニット及び給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁束の通過により回路に流れる電流を抑制しつつ大型化を抑制することができるコイルユニット及び給電システムを提供する。【解決手段】回路部分対を構成する第１回路部分と第２回路部分とにおいて、発生する電流が互いに打ち消し合うことから、磁束の通過により回路部２３０に流れる電流を抑制する。基板体２３が鉄心２２の端面２２ａに重ねられ、基板体２３を設けることによるコイルユニット２０及びこれを備えた給電システムの大型化を抑制する。【選択図】図２

Description

本発明は、給電部又は受電部に用いられるコイルユニット及びそれを備えた給電システムに関する。

従来、給電部から受電部に非接触で電力を供給する給電システムにおいて、給電部及び受電部に共振用のコンデンサ（回路部品）を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。非接触の給電システムでは一般に、受電部と給電部とが離れているため漏れリアクタンスが大きい。そこで、特許文献１に記載の給電システムでは、コンデンサによって漏れリアクタンスを補償して力率を改善し、給電効率の向上が図られている。

特開２０１４−９３８２９号公報

しかしながら、非接触の給電システムでは、給電効率を上昇させるために給電部のコイルに高周波数の磁束を発生させることが好ましいものの、この磁束がコイル以外の電線に交わると高周波数の電流が流れ、コンデンサ等の回路部品において大きな損失が発生するとともに発熱してしまうことがある。特に、図６に示すように、コンデンサ１０１と回路パターン１０２とを有する回路部１００において、大容量化するためにコンデンサ１０１を並列に接続すると環状の閉回路が形成され、この閉回路の内側において磁束Ｂが増減すると閉回路を循環する電流Ｉ０が流れる。この電流Ｉ０は当該閉回路を循環することによって減衰していき、それに伴って閉回路が発熱してしまう。

そこで、磁束密度が低い位置（例えば、コイルから離れた位置）に回路部品を有した回路部を配置する構成が一例として考えられるものの、回路部の配置の自由度が低く、給電部や受電部に用いられるコイルユニットが大型化し、給電システム全体が大型化してしまう可能性がある。

本発明の目的は、磁束の通過により回路に流れる電流を抑制しつつ大型化を抑制することができるコイルユニット及び給電システムを提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、給電部から受電部に非接触で電力を供給する給電システムにおいて該給電部又は該受電部に用いられるコイルユニットであって、コイルと、回路パターンが形成された配線板と該配線板に実装される回路部品とを有し、該回路パターンと該回路部品とにより構成される回路部が前記コイルに電気的に接続される基板体と、を備え、前記回路部が、互いに直列に接続された複数の回路部分を備えるとともに、磁束によって発生する電流が互いに打ち消し合うように配置された隣り合う２つの前記回路部分によって構成される回路部分対を少なくとも１組備えることを特徴とするコイルユニットである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、前記回路部分対の平面視形状が、その２つの回路部分が互いに反対向きに凸形状とされ、全体が波形状とされていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、前記回路部分対の平面視形状が、８の字形状とされていることを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、前記回路部分対の２つの回路部分のそれぞれの平面視形状が、前記配線板の板厚方向を軸方向とする環状とされ、前記２つの回路部分が、前記板厚方向に重ねられるとともに、前記回路部分対を一端から他端まで辿った際に前記軸方向を互いに反対周りに囲うように配置されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記基板体が、前記コイルの軸と前記配線板の板厚方向とが一致するように当該コイルの端部に対向して配置されていることを特徴とするものである。

請求項６に記載された発明は、給電部から受電部に非接触で電力を供給する給電システムであって、前記受電部と前記給電部とのうち少なくとも一方が、請求項１〜５のいずれか１項に記載されたコイルユニットを有していることを特徴とする給電システムである。

請求項１に記載された発明によれば、回路部分対を構成する２つの回路部分が、磁束によって発生する電流が互いに打ち消し合うように配置されていることから、磁束密度が高い位置に回路部を配置しても電流を抑制することができ、基板体の配置の自由度を向上させてコイルユニットの大型化を抑制することができる。

請求項２に記載された発明によれば、２つの回路部分が互いに反対向きに凸形状とされ、回路部分対の平面視形状が波形状とされていることから、一方側に凸の回路部分で発生する電流と他方側に凸の回路部分で発生する電流とが互いに打ち消し合い、回路部品における損失及び発熱を効果的に抑制することができる。さらに、配線板の大きさに応じて波形状における波長や振幅を適宜に設定することができ、配線板表面のスペースを効率よく利用することができる。

請求項３に記載された発明によれば、回路部分対の平面視形状が８の字形状とされていることから、８の字を形成する２つの環状の回路部分において発生する電流が互いに打ち消し合い、回路部品における損失及び発熱を効果的に抑制することができる。

請求項４に記載された発明によれば、２つの環状の回路部分が、回路部分対を一端から他端まで辿った際に軸方向を互いに反対周りに囲うように配置されていることから、２つの環状の回路部分において発生する電流が互いに打ち消し合い、回路部品における損失及び発熱を効果的に抑制することができる。さらに、例えば一方の回路部分を配線板の表面に設けるとともに他方の回路部分を裏面に設けることによって、１つの面に２つの回路部分を設ける構成と比較して配線板を小さく形成することができ、コイルユニットを小型化することができる。

請求項５に記載された発明によれば、コイルの軸と配線板の板厚方向とが一致するように基板体がコイルの端部に対向して配置されていることで、基板体をコイルの端部に重ねるように配置することができ、コイルユニットの大型化をさらに抑制することができる。

請求項６に記載された発明によれば、前述のように磁束の通過によって流れる電流を抑制しつつ大型化を抑制することができ、給電システムがこのようなコイルユニットを備えることから、発熱による給電効率の低下を抑制するとともに給電システム全体の大型化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る給電システム全体を示す側面図である。 第１実施形態に係る給電システムの給電部を示す斜視図である。 図２の給電部の回路部を示す平面図である。 第２実施形態に係る給電システムの給電部を示す平面図である。 第３実施形態に係る給電システムの給電部に設けられた基板体を示す斜視図である。 従来の給電システムの回路部を示す平面図である。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第２、３実施形態においては、第１実施形態で説明する構成部材と同じ構成部材及び同様な機能を有する構成部材には、第１実施形態と同じ符号を付すとともに説明を省略する。

〔第１実施形態〕
第１実施形態の給電システム１Ａは、駐車場等の地面Ｇ上に設けられる給電部２と、車両Ｖに設けられる受電部３と、を備えている。給電部２が図示しない交流電源に接続され、受電部３がバッテリＢに接続されるとともに、給電部２から受電部３に磁束を介して非接触で電力が供給されることで、給電システム１Ａは、交流電源からバッテリＢに充電可能に構成されている。なお、給電部２と受電部３とは略同様の構成を有しており、以下、給電部２の構成について説明する。

給電部２は、図２に示すように、コイル２１と、コイル２１が巻き付けられる鉄心２２と、コイル２１に電気的に接続される基板体２３と、を備えたコイルユニット２０を有して構成されている。

コイル２１は、給電部２と受電部３との対向方向に直交する方向を軸方向として、電線２１１が鉄心２２に螺旋状に巻き付けられて構成され、電線２１１に電流が流れると、コイル２１の端部において、軸方向に磁束が発生するようになっている。また、電線２１１の一端は交流電源に接続され、他端は後述する回路部２３０に接続される。

鉄心２２は、例えばフェライトによって構成され、対向方向を板厚方向とするとともに図２に示す方向を幅方向として、コイル２１の軸方向に延在する平板状に構成されている。なお、給電部２から受電部３への給電効率が充分に高い場合、鉄心２２は省略されてもよい。

基板体２３は、表面２３２ａに回路パターン２３１が形成された配線板としてのプリント基板２３２と、プリント基板２３２の表面２３２ａに実装される回路部品としての複数のコンデンサ２３３と、を有する。また、基板体２３は、コイル２１の軸方向とプリント基板２３２の板厚方向とが一致するように、コイル２１の端部に対向するように配置され、鉄心２２の端面２２ａに重ねられている。

基板体２３において、回路パターン２３１とコンデンサ２３３とが回路部２３０を構成する。回路部２３０は、一端がコイル２１に接続されるとともに他端が交流電源に接続され、図３にも示すように、互いに並列に接続された複数の直列部分２３４Ａ、２３４Ｂを備える。図３中左側の直列部分２３４Ａは、互いに直列に接続された２つの回路部分としての第１回路部分２３５Ａと第２回路部分２３６Ａとを備えるとともに、隣り合う２つの回路部分２３５Ａ、２３６Ａによって１組の回路部分対２３７Ａが構成される。また、図３中右側の直列部分２３４Ｂも略同様に、互いに直列に接続された２つの回路部分としての第１回路部分２３５Ｂと第２回路部分２３６Ｂとを備え、２つの回路部分２３５Ｂ、２３６Ｂによって回路部分対２３７Ｂが構成される。

回路部分対２３７Ａ、２３７Ｂは、それぞれ、第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂと第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂとが互いに反対向きに凸形状とされることで、平面視形状が矩形波形状とされている。また、第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂと第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂとは、凸形状によって囲まれた部分が互いに略同一面積を有している。

次に、以上のような給電部２において、交流電源に接続されてコイル２１に電流が流れた際に発生する磁束と、この磁束によって回路部２３０に発生する電流と、について説明する。まず、コイル２１に交流電流が流れると、このコイル２１の端部、即ち、鉄心２２の端面２２ａにおいて軸方向に沿った交番磁束が発生し、基板体２３を通過しようとする。

この交番磁束が回路部２３０の内側を通過すると、磁束の変化を妨げるように起電力が発生し、回路部２３０に電流が流れようとする。具体的には、図３において紙面奥側から手前側に向かう方向の磁束密度が増加する際、第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂには時計回り方向にそれぞれ電流Ｉ１、Ｉ３が流れようとし、第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂには時計回りにそれぞれ電流Ｉ２、Ｉ４が流れようとする。さらに、電流Ｉ１と電流Ｉ２とが互いに打ち消し合い、電流Ｉ３と電流Ｉ４とが互いに打ち消し合う。即ち、各回路部分対２３７Ａ、２３７Ｂを構成するとともに隣り合う第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂと第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂとにおいて、発生する電流が互いに打ち消し合う。また、紙面手前側から奥側に向かう方向の磁束密度が増加する際には、回路部分対２３７Ａ、２３７Ｂに上記の電流Ｉ１〜Ｉ４と反対向きの電流が流れるとともに、略同様に打ち消し合う。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂと第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂとにおいて発生する電流が互いに打ち消し合うことから、磁束の通過により回路部２３０に流れる電流を抑制し、この電流によるコンデンサ２３３における損失及び発熱を抑制することができる。即ち、給電システム１Ａの給電効率の低下を抑制することができる。このとき、第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂと第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂとにおいて、凸形状によって囲まれた部分が互いに略同一面積を有していることから、回路部２３０全体に一様な磁束が通過した場合、電流Ｉ１と電流Ｉ２とが略等しくなるとともに、電流Ｉ３と電流Ｉ４とが略等しくなり、コンデンサ２３３における損失及び発熱をさらに抑制することができる。

さらに、基板体２３が鉄心２２の端面２２ａに重ねられていることから、基板体２３を設けることによるコイルユニット２０及びこれを備えた給電システム１Ａの大型化を抑制することができる。特に、回路に対して磁束が垂直に通過しないように板厚方向とコイルの軸方向とを直交させて基板体を配置する構成と比較して、コイルユニット２０を軸方向に小型化することができる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の給電システム１Ｂは、図４に示すような給電部４を備える。給電部４は、平板状の本体部４１と、コイル４２と、コイル４２に電気的に接続される基板体４３と、を備えたコイルユニット４０を有して構成されている。

コイル４２は、給電部４と受電部３との対向方向を軸方向として本体部４１の表面に渦巻き状に形成され、電線４２１に電流が流れると、本体部４１上のコイル４２に囲まれた位置において、軸方向に磁束が発生するようになっている。

基板体４３は、表面４３２ａに回路パターン４３１が形成された配線板としてのプリント基板４３２と、プリント基板４３２の表面４３２ａに実装される回路部品としての複数のコンデンサ４３３と、を有する。また、基板体４３は、コイル４２の軸方向とプリント基板４３２の板厚方向とが一致するように、本体部４１上に重ねられるとともに、コイル４２によって囲まれた位置に配置される。

基板体４３において、回路パターン４３１とコンデンサ４３３とが回路部４３０を構成する。回路部４３０は、互いに直列に接続された２つの回路部分としての第１回路部分４３５と第２回路部分４３６とを備えるとともに、これらの隣り合う２つの回路部分４３５、４３６によって１組の回路部分対４３７が構成される。

回路部分対４３７の平面視形状は、第１回路部分４３５及び第２回路部分４３６がそれぞれ直径の略等しい円環状に形成されることで、８の字形状とされている。なお、回路パターン４３１は、８の字の略中心部において上下に重ねられるとともに互いに絶縁された第１導線部４３１Ａと第２導線部４３１Ｂとを有し、第１回路部分４３５と第２回路部分４３５とは、第１導線部４３１Ａによって接続されている。

次に、以上のような給電部４において、交流電源に接続されてコイル４２に電流が流れた際に発生する磁束と、この磁束によって回路部４３０に発生する電流と、について説明する。まず、コイル４２に交流電流が流れると、このコイル４２に囲まれた位置、即ち、基板体４３において、軸方向に沿った交番磁束が発生する。

この交番磁束が回路部４３０の内側を通過すると、磁束の変化を妨げるように起電力が発生し、回路部４３０に電流が流れようとする。具体的には、図４において紙面奥側から手前側に向かう方向の磁束密度が増加する際、第１回路部分４３５及び第２回路部分４３６には時計回り方向にそれぞれ電流Ｉ５、Ｉ６が流れようとし、この電線Ｉ５と電線Ｉ６とが第１導線部４３１Ａにおいて互いに打ち消し合う。また、紙面手前側から奥側に向かう方向の磁束密度が増加する際には、回路部分対４３７に上記の電流Ｉ５、Ｉ６と反対向きの電流が流れるとともに、略同様に打ち消し合う。

このような本実施形態によれば、第１実施形態と略同様に、磁束の通過により回路部４３０に流れる電流を抑制することができる。さらに、基板体４３が本体部４１上に重ねられるとともに、コイル４２によって囲まれた位置に配置されることから、コイルユニット４０及びこれを備えた給電システム１Ｂの大型化を抑制することができる。特に、回路に対して磁束が垂直に通過しないように板厚方向とコイルの軸方向とを直交させて基板体を配置する構成と比較して、コイルユニット４０を対向方向に小型化することができる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態の給電システム１Ｃは、図５に示すような基板体５３を有した給電部５を備える。なお、給電部５のコイルは、第１実施形態のように受電部３との対向方向に直交する方向を軸方向としてもよいし、第２実施形態のようにこの対向方向を軸方向としてもよい。

基板体５３は、表面５３２ａ及び裏面５３２ｂに回路パターン５３１が形成された配線板としてのプリント基板５３２と、プリント基板５３２の表面５３２ａ及び裏面５３２ｂに実装される回路部品としての複数のコンデンサ５３３と、を有する。また、基板体５３は、コイルに対して第１実施形態や第２実施形態のように配置されていればよい。

基板体５３において、回路パターン５３１とコンデンサ５３３とが回路部５３０を構成する。回路部５３０は、互いに直列に接続された２つの回路部分としての第１回路部分５３５と第２回路部分５３６とを備えるとともに、これらの隣り合う２つの回路部分５３５、５３６によって１組の回路部分対５３７が構成される。

回路部分対５３７を構成する第１回路部分５３５と第２回路部分５３６とは、平面視形状がプリント基板５３２の板厚方向を軸方向とするとともに直径の略等しい円環状とされ、第１回路部分５３５がプリント基板５３２の表面５３２ａに設けられ、第２回路部分５３６が裏面５３２ｂに設けられることで、板厚方向（軸方向）に重ねられている。また、第１回路部分５３５と第２回路部分５３６とは、プリント基板５３２を板厚方向に貫通する導線部５３１Ａによって接続され、回路部分対５３７を一端から他端まで辿った際に軸方向を互いに反対周りに囲うように配置されている。

次に、以上のような基板体５３において、給電部５のコイルに電流が流れた際に発生する磁束によって回路部５３０に発生する電流について説明する。このコイルによって発生した磁束が回路部５３０の内側を通過すると、磁束の変化を妨げるように起電力が発生し、回路部５３０に電流が流れようとする。具体的には、図５において下方から上方に向かう方向の磁束密度が増加する際、第１回路部分５３５及び第２回路部分５３６には時計回り方向にそれぞれ電流Ｉ７、Ｉ８が流れようとし、この電線Ｉ７と電線Ｉ８とが導線部５３１Ａにおいて互いに打ち消し合う。また、上方から下方に向かう方向の磁束密度が増加する際には、回路部分対５３７に上記の電流Ｉ７、Ｉ８と反対向きの電流が流れるとともに、略同様に打ち消し合う。

このような本実施形態によれば、第１実施形態及び第２実施形態と略同様に、磁束の通過により回路部５３０に流れる電流を抑制することができる。さらに、第１回路部分５３５がプリント基板５３２の表面５３２ａに設けられるとともに第２回路部分５３６が裏面５３２ｂに設けられることによって、１つの面に２つの回路部分を設ける構成と比較してプリント基板を小さく形成することができ、基板体５３を小型化することができる。

なお、本発明は、前記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記第１〜第３実施形態では、回路部分対の平面視形状が、波形状や８の字形状、重ねられた円環状とされるものとしたが、これらの形状は適宜に組み合わされてもよく、回路部分対を構成する２つの回路部分が、発生する電流が互いに打ち消し合うように配置されていればよい。また、回路部分対や回路部分の平面視形状は、直線や曲線が適宜に組み合わされた形状であってよく、例えば波形状の場合、矩形波に限らず正弦波や三角波であってもよいし、環状の場合、円環に限らず多角形の環であってもよい。

また、前記第１及び第２実施形態では、コイルの軸と配線板の板厚方向とが一致するように基板体がコイルの端部に対向して配置されるものとしたが、基板体は、コイルユニットの形状や設置位置等に応じて、板厚方向を適宜な方向に向けるとともに適宜な位置に配置されていればよい。

また、前記第１実施形態では、第１回路部分２３５Ａ、２３５Ｂと第２回路部分２３６Ａ、２３６Ｂとが、凸形状によって囲まれた部分が互いに略同一面積を有し、前記第２及び第３実施形態では、第１回路部分４３５、５３５と第２回路部分４３６、５３６とが略等しい直径を有するものとしたが、第１回路部分によって囲まれる部分と第２回路部分によって囲まれる部分との面積比は、発生する電流が充分に打ち消し合うように、通過する磁束の分布に応じて適宜に設定されていればよい。

また、前記第１〜第３実施形態では、給電部と受電部とが略同一の構成を有するものとしたが、給電部と受電部とが異なる構成を有していてもよく、少なくとも一方が前述のような基板体を備えていればよい。

また、前記第１〜第３実施形態では、車両に充電するための給電システム１Ａ〜１Ｃを例示したが、給電システムは、非接触で電力を供給するものであればよく、例えば携帯電話等の電子機器を充電するためのものであってもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 給電システム
２、４、５ 給電部
３ 受電部
２１、４２ コイル
２３、４３、５３ 基板体
２３１、４３１、５３１ 回路パターン
２３２、４３２、５３２ プリント基板（配線板）
２３３、４３３、５３３ コンデンサ（回路部品）
２３０、４３０、５３０ 回路部
２３５Ａ、２３５Ｂ、４３５、５３５ 第１回路部分
２３６Ａ、２３６Ｂ、４３６、５３６ 第２回路部分
２３７Ａ、２３７Ｂ、４３７、５３７ 回路部分対

Claims (6)

1. 給電部から受電部に非接触で電力を供給する給電システムにおいて該給電部又は該受電部に用いられるコイルユニットであって、
   コイルと、
   回路パターンが形成された配線板と該配線板に実装される回路部品とを有し、該回路パターンと該回路部品とにより構成される回路部が前記コイルに電気的に接続される基板体と、を備え、
   前記回路部が、互いに直列に接続された複数の回路部分を備えるとともに、磁束によって発生する電流が互いに打ち消し合うように配置された隣り合う２つの前記回路部分によって構成される回路部分対を少なくとも１組備えることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記回路部分対の平面視形状が、その２つの回路部分が互いに反対向きに凸形状とされ、全体が波形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記回路部分対の平面視形状が、８の字形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
4. 前記回路部分対の２つの回路部分のそれぞれの平面視形状が、前記配線板の板厚方向を軸方向とする環状とされ、
   前記２つの回路部分が、前記板厚方向に重ねられるとともに、前記回路部分対を一端から他端まで辿った際に前記軸方向を互いに反対周りに囲うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
5. 前記基板体が、前記コイルの軸と前記配線板の板厚方向とが一致するように当該コイルの端部に対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイルユニット。
6. 給電部から受電部に非接触で電力を供給する給電システムであって、
   前記受電部と前記給電部とのうち少なくとも一方が、請求項１〜５のいずれか１項に記載されたコイルユニットを有していることを特徴とする給電システム。

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