JP2016076645A - 平面コイル - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な非接触給電用平面コイルを製作するに当たり、導線どうしの間隔をあけた平面コイル巻線を実現すること。【解決手段】コイル１の形状は平面に渦巻き状に捲かれたスパイラル巻線である。この巻線の隣り合う導線３の間にスペーサ４を挟み、隣り合う導線３の間隔をあけた平面コイル１を実現する。スペーサ４は平面コイル１と電気的に絶縁されていればよい。平面コイル１は引き出し線３ａ、３ｂを有し、この引き出し線３ａ、３ｂは導線３の一部である。ここに通電することで平面コイル１として作用する。完成した平面コイル１の一方の面には磁気シールド２が配置され、この構成で非接触給電用の平面コイルユニット９が完成する。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触電力供給の送電および受電に関わる平面コイルに関するものである。

磁界共鳴式の非接触電力供給の送電（Ｔｘ）と受電（Ｒｘ）に用いられる平面コイルは、隣り合う導線どうしに所定の間隔が必要である。この間隔は隣の導線（銅線、アルミ線等）を流れる電流とその電流により発生する磁場が互いに干渉することを防ぐ役割をする。

磁界共鳴方式の非接触給電を利用すれば、同一の周波数で共振するように調整された2つのコイルの間で、近接場非接触転送によって電気エネルギーを授受することができる。電磁結合の原則にのっとり、磁界共鳴方式の充電器は、共振コイルに振動電流を流して振動電磁場を作り出す。

充電される側の機器は、同一の共振周波数を持つもう1つのコイルを備えている。そのコイルが電磁場から電力を受け取って電流に変換し、機器の電池の充電に使用するか、または機器の電源として使用する。磁界共鳴方式の非接触給電は、空間的な自由度の面で優位性を持っており、送電（Ｔｘ）と受電（Ｒｘ）を数十ｃｍほど離しても充電を行うことが可能である。

一般に、コイル間の伝送効率は、コイル同士の磁気的結合度（結合係数κ）と、Ｔｘ、Ｒｘそれぞれのコイルの品質係数ＱｔｘとＱｒｘで、κ√Ｑｔｘ×Ｑｒｘで決まるとされている。つまり、結合係数κ、品質係数Ｑｔｘ、Ｑｒｘそれぞれが高いことが効率を上げるために必要になる。ここで、品質係数Ｑｔｘ、Ｑｒｘの値はインダクタンスＬｓ（Ｈ）と角周波数ωの積（ωＬｓ）と、コイルの損失 Ｒ（Ω）の比率で決まる。つまり、高い周波数を用いる方が一般に品質係数Ｑｔｘ、Ｑｒｘを高くすることができる。

しかしながら、導線を２周以上巻く平面コイルの場合、それぞれの導線に流れる電流の向きが同じになるため、お互いの磁場により電子の軌道が影響を受けて導線内で電流が流れるエリアが減少する（近接効果）、即ち直流抵抗（Ｒｄｃ）が増大する。それを防ぐためには各導線間の間隔（ＧＡＰ）を広げる必要がある。

各導線間の間隔を広げた平面コイルとしては、特許文献１の例のように、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）やフレキシブル基板に平面コイル状パターンを形成しインダクタとして用いることが開示されている。

また、各導線間の間隔を広げて平面コイルを巻く方法としては、例えば特許文献２に開示されているように、巻線形状のガイド溝とガイドピンを用いて所望の形状の平面コイルを形成するという方法が開示されている。導線はＰＣＢパターンに比べ断面積を確保できるのでＲｄｃの低下には有利である。

特開２０１３−２２９９３７号公報 特開平９−６９４５７号公報

特許文献１の課題は、導線による巻線と比較して高価であり、また銅箔によるパターンの厚さは一般的にミクロンオーダのため断面積が小さくＲｄｃが大きい。基板を多層にして断面積を増やしたり、銅箔を厚くするとＰＣＢの製作費用がさらに上がる。

特許文献２の課題は、巻線完成後には一部の型を外す点であり、導線どうしに部分的にでも間隔があると、密着巻き平面コイルとはならないため、巻いた状態でテンションを維持できない。平面コイル単体では形状を維持できず、結果的に特性の点でも不安定である。

解決しようとする問題点は、Ｒｄｃが小さい磁界共鳴式非接触給電用平面コイルにおいて、導線どうしの間隔を空け且つ形状を安定させた平面コイルを実現することにある。

本発明は導線を用いたスパイラル巻の平面コイルであって、前記導線は隣接する前記導線との間に空隙を有し、当該空隙には少なくとも1本のスペーサが挿入されていることを特徴とする平面コイルである。

本発明は導線間にスペーサを挿入していることにより、形状が変化する可能性が小さく、特性の点でも安定する。

前記スペーサは導体の線であってもよい。

前記スペーサは前記導線と同一の導線であってもよい。

前記スペーサのうち少なくとも１本は近距離無線通信（ＮＦＣ）の信号通信用アンテナコイルとして用いられてもよい。

前記スペーサのうち少なくとも１本は異なる仕様の非接触給電の電力送受信用コイルとして用いられてもよい。

前記スペーサは高分子材料で形成されていてもよい。

本発明によって、形状の安定した非接触給電用の平面コイルを安定して提供が可能となる。

図１は本発明の平面コイルの模式図である。 図２は本発明の平面コイルの断面図である。 図３は本発明の平面コイルの断面図である。 図４は本発明の平面コイルの斜視図である。 図５は本発明の平面コイルの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。

本発明の平面コイルの模式図を図１に、断面図を図２に、斜視図を図４に示す。図１に限り導線３およびスペーサ４を単純な直線にて表す。非接触給電用の平面コイル１の形状は平面に渦巻き状に捲かれたスパイラル巻線である。この巻線の隣り合う導線３の間にスペーサ４を挟み、隣り合う導線３の間隔をあけた平面コイル１を実現する。

導線３は導体の線の表面に絶縁被覆を行ったもので、断面以外は絶縁されている。導体の線は銅線、アルミ線、銅リッツ線など適時使用可能である。また導線３の断面形状は実質的に円形であるが、これに限定されず方形断面などの任意の形状でもよい。

スペーサ４は平面コイル１と電気的に絶縁されていればよい。当該スペーサ４は導線３と同一の材質や同一の径の線でもよく、またこれに限定されず同じ導体で異なる線径の場合や異なる導体の線としてもよい。この場合スペーサ４に用いる導体の線の表面に絶縁被覆が行われていてもよい。

また当該スペーサ４の材料が樹脂等の高分子材料である場合は自身が絶縁体であるので好適である。

平面コイル１は引き出し線３ａ、３ｂを有し、この引き出し線３ａ、３ｂは導線３の一部である。ここに通電することで平面コイル１として作用する。図１や図３では引き出し線３ａ、３ｂの近傍にはスペーサ４の端部があるが、ここは電気的に開放である。

なお、スペーサ４として使われる線材は１本とは限定されない。例えば図５のように導線３に対してスペーサ４は２本以上配置されても良い。スペーサが導線３と同一の線であるなら図２の例ではいわゆる二条巻き６と同等であり、図５の例ではいわゆる三条巻き７と同等である。

スペーサ４は線状のものを用いるに限定されない。例えば図３のように平面コイル１と合同形状に溝５を形成した板材８に、当該溝５に対して導線３を埋め込むと、溝加工されてない部分がスペーサ４として作用する。

完成した平面コイル１の一方の面には磁気シールド２が配置される。この構成で非接触給電用の平面コイルユニット９が完成する。

表１は隣り合う導線３の間隔をあけた平面コイル１の比較である。条件は磁気シールド用のフェライトシート２が７２×５６×ｔ０．５２ｍｍ、平面コイル１の線径がφ０．５ｍｍ、平面コイル１の外形が約７０×５３ｍｍ角型、インダクタ目標値３μＨ（±５％）、平面コイル導線間の間隔の目標値は０．５ｍｍである。

測定値は、インダクタＬｓ（μＨ）、インピーダンスＲｓ（Ω）、品質係数Ｑ、直流抵抗Ｒｄｃ（Ω）である。インダクタＬｓは目標値（３μＨ）に近いほどよく、インピーダンスＲｓと直流抵抗Ｒｄｃは低いほどよく、品質係数Ｑは高いほどよい。

〔実施例１〕
実施例１は隣り合う導線３に０．５ｍｍのスペーサ４として樹脂を形成した例であり、より詳しくは平面コイル１の巻き方と合同形状に溝５を形成した樹脂板材８に、当該溝５に対して導線３を埋め込むと、溝加工されてない部分がスペーサ４として作用する（図３）。スペーサ４があるため、形状精度は安定している。

〔実施例２〕
実施例２は隣り合う導線３に０．５ｍｍのスペーサ４として導線と同じ材料で同じ径の銅線を利用した例である。スペーサ４があるため、形状精度は安定している。

〔比較例１〕
比較例１は隣り合う導線３に０．５ｍｍの空隙をあけた導電パターンを形成したＰＣＢ（Printed Circuit Board）の例であり、スペーサ４に相当するのは空気であるが、直下に樹脂基板が存在するため静電容量が発生する。導電パターンはエッチングで作成するので、形状精度は高いが、導電パターンの厚さは約７０μｍであり、φ０．５ｍｍの導線と比べると直流抵抗Ｒｄｃは大きくなる。また、ＰＣＢは比較的高価である。

実施例１、２と比較例１を比較すると、インダクタＬｓは実施例２が最も目標値に近く、インピーダンスＲｓは実施例１と２が低い値となり、増幅最大係数Ｑは実施例１が最も高く、Ｒｄｃは実施例１と実施例２が低い値となっている。

総じて実施例１、２は比較例１に対しては全ての項目で有利であり、実施例１に対して実施例２はＱ値では比較的大きな差がでたものの、実用としては許容値であり、Ｑ値以外の項目では実施例１と近似あるいは上回る測定値を出した。

〔変形例１〕
前述の通りスペーサ４の端部は電気的に開放されているとしたが、スペーサ４の少なくとも１本の線材を近距離無線通信（ＮＦＣ：Near Field Communication）の信号通信用アンテナコイルとして用いることが可能である。

〔変形例２〕
前述の通りスペーサ４の端部は電気的に開放されているとしたが、スペーサ４の少なくとも１本の線材を異なる仕様の非接触給電の電力の送受信コイルとして用いることが可能である。

１ 平面コイル
２ 磁気シールド
３ 導線
３ａ 引き出し線
３ｂ 引き出し線
４ スペーサ
５ 溝
６ 二条巻き
７ 三条巻き
８ 板材
９ 非接触給電用平面コイルユニット

Claims (6)

1. 導線を用いたスパイラル巻の非接触給電用の平面コイルであって、前記導線は隣接する前記導線との間に空隙を有し、当該空隙に少なくとも1本のスペーサが挿入されていることを特徴とする平面コイル。
2. 前記スペーサは導体の線であることを特徴とする請求項１記載の平面コイル。
3. 前記スペーサは前記導線と同一の材質、同一の径の導線であることを特徴とする請求項１記載の平面コイル。
4. 前記スペーサのうち少なくとも１本は近距離無線通信（ＮＦＣ）の信号通信用アンテナコイルとして用いられることを特徴とする、請求項２乃至４記載の平面コイル。
5. 前記スペーサのうち少なくとも１本は異なる仕様の非接触給電の電力送受信用コイルとして用いられることを特徴とする、請求項２乃至４記載の平面コイル。
6. 前記スペーサは高分子材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の平面コイル。

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