JP2017229144A - Wireless power reception device and electronic apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワイヤレス受電装置と、これを用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a wireless power receiving apparatus and an electronic apparatus using the same.
スマートフォン、電気自動車、コードレス家電製品等に、ワイヤレスで給電するシステムが普及しつつある。ワイヤレス給電の中でも、磁界や電界の共鳴を用いた共鳴方式の給電は、送電器と受電器の精密な位置合わせが不要であり、ある程度距離が離れていても高い送電効率が得られることから、実用化が期待されている。 Wireless power feeding systems are spreading for smartphones, electric vehicles, cordless home appliances, and the like. Among wireless power feeding, resonance-type power feeding using magnetic field and electric field resonance does not require precise positioning of the power transmitter and power receiver, and high power transmission efficiency can be obtained even if they are some distance away. Practical use is expected.
ワイヤレス受電機能を備えた携帯電話やスマートフォンでは、筐体や背面カバーが樹脂またはプラスチックで形成されていることが多い。樹脂、プラスチック等の非金属の筐体は熱がこもりやすいが、共鳴現象の伝達や磁界の結合に対する影響は少ない。 In mobile phones and smartphones equipped with a wireless power receiving function, a housing and a back cover are often formed of resin or plastic. A non-metallic housing such as resin or plastic is likely to accumulate heat, but has little effect on the transmission of resonance phenomenon and magnetic field coupling.
他方、金属の筐体やカバーは放熱効果を有するが、共鳴現象や磁化の結合に影響するため、磁性シートが用いられる場合がある。たとえば、近接通信と非接触電力伝送の機能を搭載した通信端末で、近接通信用コイルと配線基板の間、及び電力伝送用コイルと配線基板の間に磁性体シートを配置して、線板の導体パターンとの不要結合を抑制している(たとえば、特許文献1参照)。また、生体植え込み型心臓ペースメーカの金属ケースの外側に高磁性材と受電用コイルをこの順に密着配置する構成が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。 On the other hand, metal casings and covers have a heat dissipation effect, but a magnetic sheet may be used because they affect the resonance phenomenon and the coupling of magnetization. For example, in a communication terminal equipped with functions of proximity communication and non-contact power transmission, a magnetic sheet is arranged between the proximity communication coil and the wiring board, and between the power transmission coil and the wiring board. Unnecessary coupling with the conductor pattern is suppressed (for example, see Patent Document 1). In addition, a configuration has been proposed in which a high magnetic material and a power receiving coil are arranged in close contact with each other on the outside of a metal case of a living body implantable cardiac pacemaker (see, for example, Patent Document 2).
スマートフォンのような電子機器に金属製の筐体またはカバーを用いると、金属によって磁界が遮断され、受電効率が低下するおそれがある。受電装置を金属の筐体に収容して電気自動車の底面に配置する場合も、同様に受電効率が低下するおそれがある。 When a metal casing or cover is used for an electronic device such as a smartphone, the magnetic field is blocked by the metal, and power reception efficiency may be reduced. Similarly, when the power receiving device is housed in a metal casing and disposed on the bottom surface of the electric vehicle, the power receiving efficiency may similarly decrease.
そこで、受電効率を改善したワイヤレス受電装置とこれを用いた電子機器を提供することを目的とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a wireless power receiving apparatus with improved power receiving efficiency and an electronic device using the wireless power receiving apparatus.
一つの態様では、ワイヤレス受電器は、
主面に、磁界に対して透明な領域を有する金属の筐体と、
前記筐体の内部で主面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、前記主面の面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されている。
In one aspect, the wireless power receiver is
A metal housing having an area transparent to the magnetic field on the main surface;
A coil that is arranged on the main surface side inside the housing and receives power in a resonant manner;
A magnetic sheet disposed parallel to the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The coil is arranged at a position that does not overlap with a region transparent to the magnetic field in an in-plane direction of the main surface.
上記構成により、ワイヤレス受電装置の受電効率を改善することができる。 With the above configuration, the power receiving efficiency of the wireless power receiving apparatus can be improved.
図1は、実施形態が適用されるワイヤレス給電システム100の概略図である。図1では、ワイヤレス給電システム100は電子機器の充電に適用される。ワイヤレス給電システム100は、充電パッド10に内蔵されているワイヤレス送電器と、電子機器20に内蔵されているワイヤレス受電器を含む。この例では、充電パッド10により、1以上の電子機器20−1、20−2に同時にワイヤレス給電が可能である。ワイヤレス給電システム100が電気自動車の充電に適用される場合は、たとえば、地面に配置されるワイヤレス送電器と、電気自動車の底面近傍に配置されるワイヤレス受電器を含む。ワイヤレス給電システム100は、共鳴方式で非接触の電力伝送を行う。
FIG. 1 is a schematic diagram of a wireless
図2は、共鳴方式のワイヤレス給電の基本原理を説明する図である。ワイヤレス給電システム100は、送電ユニット101と、受電ユニット102を含む。送電ユニット101は、高周波電源113と送電器115を含む。送電器115は、一次側のコイルL11と、キャパシタC1と、コイルL12を有する。直列接続されたコイルL11とキャパシタC1で、一次側のLC共振回路111が形成される。図2ではLC共振回路111はコイルL12を介して高周波電源113に接続されているが、コイルL12を省略して、直接LC共振回路111を高周波電源113に接続してもよい。
FIG. 2 is a diagram for explaining the basic principle of resonance-type wireless power feeding. The wireless
受電ユニット102は、受電器125と負荷128を有する。負荷128がバッテリーである場合は、受電器125と負荷128の間に、整流回路126とDC−DCコンバータ127が直列に挿入される。受電器125は、二次側のコイルL21と、キャパシタC2と、コイルL22を含む。直列接続されたコイルL21とキャパシタC2で、二次側のLC共振回路121が形成される。図2では、LC共振回路121はコイルL22を介して負荷128(または整流回路126)に接続されているが、コイルL22を省略して直接LC共振回路121を負荷128(または整流回路126)に接続してもよい。
The
コイルL11のインダクタンス、キャパシタC1の容量、コイルL21のインダクタンス、及びキャパシタC2の容量は、一次側のLC共振回路111の共振周波数と二次側のLC共振回路121の共振周波数がほぼ等しくなるように設計されている。
The inductance of the coil L11, the capacitance of the capacitor C1, the inductance of the coil L21, and the capacitance of the capacitor C2 are set so that the resonance frequency of the
また、一次側のLC共振回路111の共振周波数は、高周波電源113からの入力電圧の周波数と同じか近接する値である。高周波電源113から供給される交流電力は、電磁誘導によりコイルL12からコイルL11に供給され、一次側で共振電流または共振電圧が発生する。この共振状態は、磁場共鳴により一次側のコイルL11から二次側のコイルL21に伝わり、受電ユニット102に非接触で電力が供給される。一次側のコイルL11を「送電コイル」、二次側のコイルL21を「受電コイル」と呼んでもよい。二次側で受信された電力は、電磁誘導によりコイルL22を介して負荷128に供給される。負荷128がバッテリーの場合は、整流回路126で交流電力から直流電力に整流され、DC−DCコンバータ127でバッテリーに適した電圧に変換される。
The resonance frequency of the
図3は、実施形態のワイヤレス受電装置120の概略図である。図3(A)は、筐体21のボトムプレート21Bを内側から見た図、図3(B)は図3(A)のX−X'断面図である。図3では、LC共振回路を形成するキャパシタC2、整流回路126、DC−DCコンバータ127、及びバッテリー128は省略されている。
FIG. 3 is a schematic diagram of the wireless
ワイヤレス受電装置120は、開口23が形成された金属の筐体21内に配置されるコイル25と、筐体21の内部でコイル面と平行に配置される磁性シート26を有する。開口23は、筐体21の主面、この例ではボトムプレート21Bに形成されている。実施形態の特徴として、コイル25はコイル面と平行な面内方向で開口23とオーバーラップしない、あるいは開口23を横切らない位置に配置されている。
The wireless
磁性シート26は、コイル25の面内方向では、コイル25の外形と同じかそれ以上のサイズを有する。コイル25と開口23をカバーできていれば十分であり、磁性シート26を極端に大きくする必要はない。
The
磁性シート26は、筐体21とコイル25の間に配置されてもよいし、図3(B)の破線で示すように、コイル25よりも筐体の内部側に配置されてもよい。磁性シート26の種類は問わず、たとえば高透磁率の軟磁性材料の磁性粉をポリマーに混練したものや、焼結フェライト等を用いてもよい。
The
コイル25の配置位置は、磁界の共振状態を効率よく受け取る観点から、金属の筐体21のボトムプレート21Bの外周に沿って配置されるのが望ましい。また、筐体21の薄型化の観点から、コイル25とボトムプレート21Bの間の間隔dは、少なくともボトムプレート21Bとコイル25の間に磁性シート26が挿入できる距離である。
The arrangement position of the
図3の構成において、コイル25を面内方向で筐体21の開口23と抵触しない位置に配置し、コイル面と平行に磁性シート26を配置することにより、ワイヤレス受電装置120の受電効率を改善することができる。
In the configuration of FIG. 3, the power receiving efficiency of the wireless
図4は、ワイヤレス受電装置120が適用される電子機器20の概略断面図である。図4の断面は、図3(A)のX−X'断面と同じ方向の断面である。電子機器20は、筐体21、トップパネル130、タッチパネル150、表示パネル160、基板170、コイル25、及び磁性シート26を有する。コイル25と磁性シート26は、ワイヤレス受電装置120で用いられる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the
筐体21は金属製であり、アルミニウム、アルミニウム合金、その他の比較的軽量な金属で形成されている。筐体21のボトムプレート21Bに、開口23が形成されている。開口23はコイル25の面内方向でコイル25とオーバーラップあるいは抵触しない限り種々の形状をとることができ、また多様な位置に形成され得る。
The
開口23はその形状と大きさによっては、樹脂、プラスチックなど磁界に対して透明な材料(非磁性絶縁体)で充填されてもよい。この場合、開口内に非磁性絶縁体の領域29が形成される。
Depending on the shape and size of the
トップパネル130は、両面テープ、接着シート等の接着材135で筐体21に固定されており、トップパネル130の表面は操作面となっている。電子機器20のボトムプレート21Bを下側にして置いたときに、積層方向でトップパネルの下にタッチパネル150と表示パネル160が配置されている。タッチパネル150は、トップパネル130へのユーザの入力座標を検出するセンサ機能を有する。トップパネル130とタッチパネル150を一体的に形成して、タッチパネル150の表面を操作面としてもよい。表示パネル160は、液晶、有機EL(Electroluminescence)等の表示デバイスである。
The
表示パネル160の下に基板170が配置されている。基板170には、電子機器20の動作に用いられる種々の回路及び/または電子部品が形成または実装されている。共振用のコイル25は、基板170の配線層の形成工程と同時に基板170に形成されてもよい。この場合、コイル25は基板170に内蔵、または形成されたキャパシタとスルーホール等を介して電気的に接続されてLC共振回路121を形成してもよい。磁性シート26は、ボトムプレート21Bと基板170の間に挿入されてもよいし、基板170と表示パネル160の間に挿入されてもよい。
A
あるいは、コイル25をフレキシブル薄膜基板に形成して、基板170の裏面に貼り付けてもよい。この場合は、コイル25はたとえば基板170を貫通する貫通ビアによって基板170に形成または内蔵されたキャパシタと電気的に接続されてもよい。磁性シート26はボトムプレート21Bとフレキシブル薄膜基板の間に挿入されてもよいし、基板170と表示パネル160の間に挿入されてもよい。
Alternatively, the
コイル25を基板170と独立して配置する場合は、基板170の外周に沿って配置されるのが望ましい。磁界共鳴の場合、コイル径が大きいほど高効率で電力伝送が実現される距離が延びるからである。磁性シート26は、筐体21のボトムプレート21Bとコイル25の間に挿入されてもよいし、コイル25のボトムプレート21Bと反対側の面に配置されてもよい。いずれの場合も、コイル25を面内方向で開口23とオーバーラップまたは抵触しないように配置し、かつ磁性シート26を用いることで、電子機器20での受電効率を向上することができる。
When the
以下で、コイル25と開口23の関係について、具体例に基づいて説明する。
Below, the relationship between the
図5は、実施例1のコイル25と開口23aの配置関係を示す。図5は、筐体21のボトムプレート21Bを筐体の内側から平面視した図であり、開口23aは破線で示されている。実施例1では、コイル25の内側の中央に矩形の開口23aを配置している。
FIG. 5 shows the positional relationship between the
図6は、図5の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。コイル25と開口23aの位置関係を変えずに、(a)磁性シート26を用いない構成、(b)磁性シート26をコイル25と筐体(ケース)のボトムプレート21Bの間に配置する構成、(c)磁性シート26をコイル25よりも内側(たとえば表示パネル側)に配置する構成、で受電効率を計算する。ここで、受電効率とは二次側の受電コイル(コイル25)から出力される電力の、一次側の送電コイル(L11)に入力される電力に対する比をいう。この比の値が大きいほど、受電効率は高くなる。
FIG. 6 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. (A) a configuration in which the
シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:133×60[mm]を4巻
負荷コイル:133×60[mm]を1巻
筺体サイズ:145×72×8[mm]、板厚1mm
開口サイズ:30×30[mm]
受電コイルと筐体の隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5[mm]、透磁率500H/m
伝送距離:12mm
送電コイルは、図2のコイルL11に相当し、A4WP規格のクラス3に準拠するコイルである。受電コイルは、図5のコイル25に相当し、xy面で矩形に巻かれたコイルである。負荷コイルは、図2で負荷に接続されるコイルL22または負荷そのものに相当し受電コイルと同じ形状、同じサイズで1巻にしたものを用いる。受電コイルと負荷コイルは二層に配置される。
The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil:
Receiving coil: 133 × 60 [mm] 4 turns Load coil: 133 × 60 [mm] 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 30 x 30 [mm]
Clearance between power receiving coil and housing: 1mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], permeability 500 H / m
Transmission distance: 12mm
The power transmission coil corresponds to the coil L11 in FIG. 2 and is a coil that conforms to
筺体は、受電コイル及び負荷コイルを収容できるサイズであり、xy面内でのサイズが145mm×72mm、高さは8mm、ボトムプレート21Bの板厚は1mmである。受電コイルと筐体のボトムプレートの間の隙間は図3(B)の間隔dに相当し、ここでは1mmとしている。磁性シートの平面サイズは受電コイルの外形とほぼ同じであり、厚さは0.5mm、透磁率は500H/mである。伝送距離は、ここでは送電コイルと受電コイルの間の距離を指している。
The casing has a size that can accommodate the power receiving coil and the load coil. The size in the xy plane is 145 mm × 72 mm, the height is 8 mm, and the thickness of the
この条件でシミュレーションを行ったところ、磁性シート26を用いない場合は、受電効率は低い。これに対し、受電コイルと筐体の間、または受電コイルよりも筐体の内側(たとえば受電コイルと表示パネルの間)に磁性シート26を配置することで、受電効率が大幅に改善される。
When a simulation is performed under this condition, the power receiving efficiency is low when the
図7は、実施例2のコイル25と開口23bの配置関係を示す。図7は、筐体21のボトムプレート21Bを筐体の内側から平面視した図であり、開口23bは破線で示されている。実施例2では、コイル25の内側で、y方向の端部寄りに矩形の開口23bを配置している。開口23bの大きさは、実施例1の開口23aよりも小さい。
FIG. 7 shows the positional relationship between the
図8は、図7の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。実施例1と同様に、コイル25と開口23bの位置関係を変えずに、(a)磁性シート26を用いない構成、(b)磁性シート26をコイル25と筐体(ケース)のボトムプレート21Bの間に配置する構成、(c)磁性シート26をコイル25よりも内側(表示パネル側)に配置する構成、で受電効率を計算する。
FIG. 8 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. As in the first embodiment, without changing the positional relationship between the
シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:133×60mmを4巻
負荷コイル:133×60mmを1巻
筺体サイズ:145×72×8mm、板厚1mm
開口サイズ:10×10mm
受電コイルと筐体の隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5mm、透磁率500H/m
伝送距離:12mm
このシミュレーション条件は、開口23bの位置と大きさを除いて、実施例1と同じである。シミュレーションの結果、磁性シート26を用いない場合、受電効率は実施例1よりもさらに低い。これに対し、受電コイルと筐体の間、または受電コイルよりも筐体の内側(たとえば受電コイルと表示パネルの間)に磁性シート26を配置することで、受電効率は0.75まで改善される。実施例1と比べて受電効率が若干低くなるのは、主として開口23aと開口23bのサイズの違いによるものと推測される。しかし、開口23aからのサイズの減少(1/9)にもかかわらず開口23bの受電効率の低下は小さく、コイル25の外形と同等以上の大きさの磁性シート26を用いることで、受電効率を高く維持できることがわかる。
The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil:
Receiving coil: 133 × 60 mm 4 turns Load coil: 133 × 60 mm 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 mm, plate thickness 1 mm
Opening size: 10x10mm
Clearance between power receiving coil and housing: 1mm
Magnetic sheet: 133 x 60 x 0.5 mm, permeability 500 H / m
Transmission distance: 12mm
The simulation conditions are the same as those in the first embodiment except for the position and size of the
図9は、実施例3のコイル25と開口23cの配置関係を示す。図9は、筐体21のボトムプレート21Bを筐体の内側から平面視した図であり、開口23cは破線で示されている。実施例3では、コイル25の内側で、y方向に沿って、5つの開口23cを配置している。各開口23c、実施例2の開口23bをy方向に5分割した大きさと形状を有する。
FIG. 9 shows the positional relationship between the
図10は、図9の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。比較として、図7(実施例2)の構成でのシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:133×60[mm]を4巻
負荷コイル:133×60[mm]を1巻
筺体サイズ:145×72×8[mm]、板厚1mm
開口サイズ:10×2[mm]が5つ
受電コイルと筐体プレートの隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5[mm]、透磁率500H/m、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離:12mm
このシミュレーション条件は、開口23cの数(または配置)と大きさを除いて、実施例1及び2と同じである。なお、磁性シート26はコイル25とボトムプレート21Bの間に挿入されている。
FIG. 10 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. As a comparison, a simulation result in the configuration of FIG. 7 (Example 2) is shown. The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil:
Receiving coil: 133 × 60 [mm] 4 turns Load coil: 133 × 60 [mm] 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 5 x 10 x 2 [mm] Clearance between receiving coil and housing plate: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], permeability 500 H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12 mm
The simulation conditions are the same as those in the first and second embodiments except for the number (or arrangement) and size of the
このシミュレーション結果から、開口23bを分割することで受電効率が向上することがわかる。シミュレーションでは、受電効率は0.8まで改善されている。これは、各開口23cから磁性シート26に集中する共振磁界が効率よく受電側のコイル25に伝わるためと考えられる。
From this simulation result, it is understood that the power receiving efficiency is improved by dividing the
図11は、実施例4のコイル25と開口23cの配置関係を示す図である。実施例4では、実施例3の5分割された開口23cの位置及び向きを様々に変えている。各開口23cのサイズは、実施例3と同様に10mm×2mmである。
FIG. 11 is a diagram illustrating an arrangement relationship between the
配置(A)は図9(実施例3)と同じであり、5つの開口23cがコイル25の内側でy方向に一列に配置されている。配置(B)は、ひとつの開口23cをボトムプレート21Bの中央に配置し、他の4つの開口23cの向きを90°回転させてコイル25の内側でコイルの長辺に沿って配置している。配置(C)は、5つの開口23cを同じ向き(開口23cの長軸がx方向と平行)で互い違いに配置している。配置(D)は、ひとつの開口23cをボトムプレート21Bの中央に配置し、他の4つの開口23cを中央の開口23cを囲むように斜めに配置している。配置(A)〜(D)で、磁性シート26はコイル25とボトムプレート21Bの間に配置されている。
Arrangement (A) is the same as FIG. 9 (Embodiment 3), and five
図12は、図11の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は実施例3と同じである。配置(A)〜(D)のすべてにおいて高い受電効率が得られている。配置(A)の受電効率は実施例3と同様に0.8であり、配置(B)〜(D)の受電効率はいずれも0.77である。開口23cをコイル25とオーバーラップしないように配置し、コイル25の外形と同じ大きさの磁性シート26をコイル面と平行に配置することによって、分割された開口23cの位置や向きに依らずに、高い受電効率が得られることがわかる。
FIG. 12 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. The specifications of the simulation are the same as in the third embodiment. High power receiving efficiency is obtained in all of the arrangements (A) to (D). The power receiving efficiency of the arrangement (A) is 0.8 similarly to the third embodiment, and the power receiving efficiencies of the arrangements (B) to (D) are all 0.77. By arranging the
図13は、実施例5のコイル25と開口23cの配置関係を示す。実施例5でも、実施例3の5分割された開口23cを用いるが、いくつかの開口23cをコイル25の外側に配置している。
FIG. 13 shows the positional relationship between the
図13(A)では、ひとつの開口23cをコイル25の内側の中央に配置し、他の4つの開口23cをコイル25の外側でコイル25の長辺に沿って配置している。図13(B)では、コイル25の内側に開口23cを配置せずに、合計4つの開口23cをコイル25の外側でコイル25の長辺に沿って配置している。図13(A)と図13(B)の双方で磁性シート26はコイル25とボトムプレート21Bの間に挿入されている。
In FIG. 13A, one
図14は、図13の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:133×50[mm]を4巻
負荷コイル:133×50[mm]を1巻
筺体サイズ:145×72×8[mm]、板厚1mm
開口サイズ:10×2[mm]が4つ、及び10×2[mm]が5つ
受電コイルと筐体の隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5[mm]、透磁率500H/m、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離:12mm
このシミュレーション条件は、コイル25のサイズと開口23の数を除いて、実施例3及び実施例4と同じである。開口23cをコイル25の外側に配置することに伴って、コイル25のサイズを実施例1〜4よりも小さくしている。開口23cは、コイル25の外側に配置される場合も、コイル25とオーバーラップせず、またはコイル25を横切らない。
FIG. 14 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil:
Power receiving coil: 133 × 50 [mm] 4 turns Load coil: 133 × 50 [mm] 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 4 for 10 × 2 [mm] and 5 for 10 × 2 [mm] Clearance between receiving coil and housing: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], permeability 500 H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12 mm
The simulation conditions are the same as those in the third and fourth embodiments except for the size of the
図14に示すとおり、コイル25の内側に分割された開口23cがひとつ設けられている構成では、0.68という受電効率が達成される。これに対し、コイル25の内側に開口が存在せず、かつ、コイル25の外側に分割された開口23cがいくつかは位置されている構成では、受電効率は0.14と低い。
As shown in FIG. 14, in the configuration in which one
図14のシミュレーション結果から、開口はコイル25の内部に配置されるのが望ましいことがわかる。
From the simulation result of FIG. 14, it can be seen that the opening is preferably disposed inside the
図15は、実施例6のコイル25と開口23の配置関係を示す。実施例6では、異なる形状の開口23dを用いる。図15(A)の開口23bは、図7の実施例2と同じ形状の開口23bである。図15(B)の開口23dは円形の開口であり、開口面積は図7の開口23bの面積とほぼ等価である。開口23bと開口23dの配置位置は同じである。
FIG. 15 shows the positional relationship between the
図16は、図15の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:133×60[mm]を4巻
負荷コイル:133×60[mm]を1巻
筺体サイズ:145×72×8[mm]、板厚1mm
開口サイズ:直径11mm
受電コイルと筐体プレートの隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5[mm]、透磁率500H/m、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離:12mm
このシミュレーション条件は、開口23dを直径11mmの円としたことを除いて、実施例2と同じである。図15(A)と図15(B)の双方で、磁性シート26はコイル26とボトムプレート21Bの間に配置されている。
FIG. 16 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil:
Receiving coil: 133 × 60 [mm] 4 turns Load coil: 133 × 60 [mm] 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 11mm in diameter
Clearance between power receiving coil and housing plate: 1mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], permeability 500 H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12 mm
This simulation condition is the same as that of Example 2 except that the
図16からわかるように、いずれの構成でも同程度の高い受電効率が達成されている。実施例1(図5)と実施例2(図7)の結果も考え合わせると、ワイヤレス受電装置120の受電効率は、筐体21の開口23の形状に依存しないが、開口23の面積に依存するといえる。
As can be seen from FIG. 16, the same high power receiving efficiency is achieved in any configuration. Considering the results of Example 1 (FIG. 5) and Example 2 (FIG. 7), the power receiving efficiency of the wireless
図17は、実施例7のコイル25と開口23eの配置関係を示す。実施例7では、開口23eは複数のスリットとして形成される。この具体例では、10mm×0.2mmのスリットが50個形成されており、開口23eのトータルの面積は実施例2(図5)の開口23bの面積と同じになる。
FIG. 17 shows the positional relationship between the
図18は、図17のX−X'断面図である。複数のスリット23eが形成された筐体21の内部に、コイル25が配置されている。この例では、コイル25と筐体21のボトムプレート21Bとの間隔dは1mmである。コイル25は、コイル25の面内方向でスリット23eとオーバラップしない、あるいはスリット23eを横切らない位置に配置されている。コイル25と筐体21のボトムプレート21Bの間、または、破線で示すようにコイル25よりも筐体の内部側に、磁性シート26が配置される。
18 is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of FIG. A
図19は、図17の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、コイル25と開口23eの位置関係を変えずに、(a)磁性シート26を用いない構成、(b)磁性シート26をコイル25と筐体21のボトムプレート21Bの間に配置する構成、(c)磁性シート26をコイル25よりも内側(たとえば表示パネル側)に配置する構成で受電効率を計算する。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:133×60[mm]を4巻
負荷コイル:133×60[mm]を1巻
筺体サイズ:145×72×8[mm]、板厚1mm
開口サイズ:10×0.2[mm]が50個
受電コイルと筐体プレートの隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5[mm]、透磁率500H/m、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離:12mm
図19からわかるように、磁性シート26を用いない場合は受電効率は非常に低いが、筐体21内でコイル面と平行に磁性シートを配置することで、受電効率が大幅に向上することがわかる。実施例7のように開口23をスリット23eで形成する場合は、スリット23eの存在は筐体21の外形デザインにほとんど影響しない。そのため、スリット23e内を筐体21と似た質感、色の非磁性絶縁材料で埋め込む必要はない。
FIG. 19 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. In the simulation, without changing the positional relationship between the
Power transmission coil:
Receiving coil: 133 × 60 [mm] 4 turns Load coil: 133 × 60 [mm] 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 50 x 10 x 0.2 [mm] Clearance between receiving coil and housing plate: 1mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], permeability 500 H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12 mm
As can be seen from FIG. 19, the power receiving efficiency is very low when the
図17では、スリット23eをすべてx方向に配置したが、y方向に配置しても同様の受電効率が得られると予測される。また、スリット23eを筐体21の中心を取り囲むように斜めに配置すると(図17の配置(D)参照)、受電効率はさらに向上すると予測される。金属の筐体21に形成されたスリット23eの隙間はわずかでも、磁性シート26に共鳴磁界を集中させることで、コイル25の受電効率が改善される。
Although all the
図20は、実施例8のコイル25と開口23fの配置関係を示す。実施例8では、開口23fは筐体21のx方向に延びる細長い開口であり、コイル25の外側に配置される。開口23fが筐体21のボトムプレート21Bのy方向の両端に配置されることにともなって、コイル25のy方向のサイズは実施例1〜7よりも低減され、コイル25が開口23fとオーバーラップまたは抵触しないように配置されている。磁性シート26は、y方向でコイル25の外形よりも大きく形成され、開口23fをカバーしている。
FIG. 20 shows the positional relationship between the
図21は、図20の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、コイル25と開口23fの位置関係を変えずに、(a)磁性シート26を用いない構成、(b)磁性シート26をコイル25と筐体21のボトムプレート21Bの間に配置する構成、(c)磁性シート26をコイル25よりも内側(表示パネル側)に配置する構成、で受電効率を計算する。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル:A4WP class 3
受電コイル:110×60[mm]を4巻
負荷コイル:110×60[mm]を1巻
筺体サイズ:145×72×8[mm]、板厚1mm
開口サイズ:68×1.5[mm]が2個
受電コイルと筐体プレートの隙間:1mm
磁性シート:133×60×0.5[mm]、透磁率500H/m、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離:12mm
図21からわかるように、磁性シート26を用いない場合は受電効率は低いが、コイル25と筐体21のボトムプレート21Bの間に磁性シート26を挿入することで、0.82という高い受電効率が得られる。これは面積の大きな開口23fからの共鳴磁界を磁性シート26が受けて受電コイルへ導くためと考えられる。開口23fの長さをコイル25に沿ってさらに伸ばすと、受電効率はさらに改善されると予測される。デザイン性の観点からは、電子機器のケースに大きな開口23fがあるのは美観が損なわれるおそれもあるが、その場合は、開口23f内を、金属の筐体21と質感及び色が似ている非磁性の絶縁材料で充填すればよい。
FIG. 21 shows a simulation result of the power reception efficiency in the arrangement of FIG. In the simulation, without changing the positional relationship between the
Power transmission coil:
Power receiving coil: 110 × 60 [mm] 4 turns Load coil: 110 × 60 [mm] 1 turn Housing size: 145 × 72 × 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 68 x 1.5 [mm] is 2 gaps between receiving coil and housing plate: 1mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], permeability 500 H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12 mm
As can be seen from FIG. 21, the power receiving efficiency is low when the
これに対し、磁性シート26をコイル25よりも筐体21の内側(たとえば表示パネル側)に配置すると、受電効率はゼロに近くなる。磁性シート26がコイル25よりも筐体21の内側に配置される場合は、金属の筐体21の影響の方が強くなって、磁界の共振状態が効率的に受電コイルに導かれないためと考えられる。
On the other hand, when the
なお、実際の製品に適用される場合は、開口23fは樹脂、プラスチック等の磁界に対して透明な材料で充填されていてもよい。
When applied to an actual product, the
実施例1〜9のシミュレーション結果から、ワイヤレス受電装置120が金属の筐体に収容される場合に、
(i)受電コイルを金属の筐体に形成された開口と抵触しないように配置し、
(ii)受電コイルの外形をカバーする磁性シートをコイル面と平行に配置する、
ことで、共鳴方式のワイヤレス給電での受電効率が大幅に改善される。
From the simulation results of Examples 1 to 9, when the wireless
(i) Arrange the receiving coil so as not to conflict with the opening formed in the metal casing,
(ii) arranging a magnetic sheet covering the outer shape of the power receiving coil in parallel with the coil surface;
As a result, the power receiving efficiency in the resonance type wireless power feeding is greatly improved.
実施例1〜9では、ワイヤレス受電装置120が電子機器に適用される態様を例にとって説明したが、ワイヤレス受電装置120は、ペースメーカ、モータ駆動ユニット、ハブスイッチなど金属の筐体を用いる任意の場面に適用できる。
In the first to ninth embodiments, the wireless
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
主面に、磁界に対して透明な領域を有する金属の筐体と、
前記筐体の内部で主面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、前記主面の面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とするワイヤレス受電装置。
(付記2)
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された開口であり、
前記開口は前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記3)
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された複数の開口であり、
前記複数の開口の少なくともひとつが前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記4)
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された複数のスリットであり、
前記複数のスリットは前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記5)
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された開口であり、
前記開口は前記コイルの外側に配置され、
前記磁性シートは前記主面と前記コイルの間に配置されて前記コイルと前記開口を覆っていることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記6)
前記開口は非磁性絶縁材料で充填されていることを特徴とする付記4,5または7に記載のワイヤレス受電装置。
(付記7)
前記磁性シートは前記主面と前記コイルの間に配置されていることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記8)
前記磁性シートは、前記コイルよりも前記筐体の内側に配置されていることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記9)
前記磁性シートは、前記コイルの外形以上の大きさであることを特徴とする付記1に記載のワイヤレス受電装置。
(付記10)
操作面と反対側の背面に磁界に対して透明な領域を有する金属の筐体と、
前記筐体の内部に配置される電子部品と、
前記筐体の内部で背面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とする電子機器。
(付記11)
前記コイルは、前記筐体の外周に沿って配置される矩形のコイルであることを特徴とする付記10に記載の電子機器。
(付記12)
前記コイルは、前記電子部品が搭載される基板に形成されていることを特徴とする付記10または11に記載の電子機器。
The following notes are presented for the above explanation.
(Appendix 1)
A metal housing having an area transparent to the magnetic field on the main surface;
A coil that is arranged on the main surface side inside the housing and receives power in a resonant manner;
A magnetic sheet disposed parallel to the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein the coil is disposed at a position that does not overlap a region transparent to the magnetic field in an in-plane direction of the main surface.
(Appendix 2)
The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the opening is disposed inside the coil.
(Appendix 3)
The region transparent to the magnetic field is a plurality of openings formed in the main surface,
The wireless power receiving apparatus according to appendix 1, wherein at least one of the plurality of openings is disposed inside the coil.
(Appendix 4)
The region transparent to the magnetic field is a plurality of slits formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the plurality of slits are arranged inside the coil.
(Appendix 5)
The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The opening is disposed outside the coil;
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein the magnetic sheet is disposed between the main surface and the coil to cover the coil and the opening.
(Appendix 6)
The wireless power receiving device according to
(Appendix 7)
The wireless power receiving apparatus according to appendix 1, wherein the magnetic sheet is disposed between the main surface and the coil.
(Appendix 8)
The wireless power receiving apparatus according to appendix 1, wherein the magnetic sheet is disposed inside the casing with respect to the coil.
(Appendix 9)
The wireless power receiving apparatus according to appendix 1, wherein the magnetic sheet is larger than the outer shape of the coil.
(Appendix 10)
A metal housing having an area transparent to the magnetic field on the back surface opposite to the operation surface;
An electronic component disposed inside the housing;
A coil that is arranged on the back side inside the housing and receives power in a resonant manner;
A magnetic sheet disposed parallel to the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The electronic device is characterized in that the coil is arranged at a position that does not overlap with a region transparent to the magnetic field in an in-plane direction.
(Appendix 11)
The electronic apparatus according to
(Appendix 12)
12. The electronic device according to
20 電子機器
21 筐体
21B ボトムプレート
23、23a〜23f 開口
25 コイル
26 磁性シート
100 ワイヤレス給電システム
101 送電ユニット
102 受電ユニット
120 ワイヤレス受電装置
L11 コイル(一次側の送電コイル)
L12 コイル
L21 コイル(二次側の受電コイル)
L22 コイル
C1、C2 キャパシタ
111 LC共振回路(一次側)
121 LC共振回路(二次側)
20
L12 coil L21 coil (secondary power receiving coil)
L22 Coils C1,
121 LC resonant circuit (secondary side)
Claims (7)
前記筐体の内部で主面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、前記主面の面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とするワイヤレス受電装置。 A metal housing having an area transparent to the magnetic field on the main surface;
A coil that is arranged on the main surface side inside the housing and receives power in a resonant manner;
A magnetic sheet disposed parallel to the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein the coil is disposed at a position that does not overlap a region transparent to the magnetic field in an in-plane direction of the main surface.
前記開口は前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein the opening is disposed inside the coil.
前記複数の開口の少なくともひとつが前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is a plurality of openings formed in the main surface,
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein at least one of the plurality of openings is disposed inside the coil.
前記複数のスリットは前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is a plurality of slits formed in the main surface,
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein the plurality of slits are disposed inside the coil.
前記開口は前記コイルの外側に配置され、
前記磁性シートは前記主面と前記コイルの間に配置されて前記コイルと前記開口を覆っていることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The opening is disposed outside the coil;
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein the magnetic sheet is disposed between the main surface and the coil to cover the coil and the opening.
前記筐体の内部に配置される電子部品と、
前記筐体の内部で背面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とする電子機器。 A metal housing having an area transparent to the magnetic field on the back surface opposite to the operation surface;
An electronic component disposed inside the housing;
A coil that is arranged on the back side inside the housing and receives power in a resonant manner;
A magnetic sheet disposed parallel to the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The electronic device is characterized in that the coil is arranged at a position that does not overlap with a region transparent to the magnetic field in an in-plane direction.
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