JP2022170747A - コイルモジュール及びワイヤレス電力伝送デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ホルダー及びコイルを備える改良されたコイルモジュールを提供する。
【解決手段】コイルモジュール１は、対象機器を載置するための平板部１０と、平板部１０の辺１１に沿ってｙ方向に延在するサイドストッパー１５と、平板部１０の辺１２に沿ってｘ方向に延在する下部ストッパー１６とを有するホルダー２と、ホルダー２の平板部１０に設けられたコイル３とを備える。コイル３は、コイル軸方向から見て、ｙ方向に対して所定の傾きを有するＡ方向における外形サイズがＢ方向における外形サイズよりも大きい。これにより、サイズの異なる種々の対象機器を充電することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本開示はコイルモジュール及びワイヤレス電力伝送デバイスに関する。

スマートフォンなどの対象機器を載置するホルダーは、特許文献１に記載されているように、対象機器を非接触で充電するためのコイルを備えていることがある。

特開２０１３－９３９７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたホルダーは、あらかじめ定められたサイズの対象機器しか載置することができない。このため、サイズの異なる種々の対象機器を充電することはできなかった。

したがって、本開示は、ホルダー及びコイルを備える改良されたコイルモジュール及びワイヤレス電力伝送デバイスを提供することを目的とする。

本開示の一実施態様によるコイルモジュールは、対象機器を載置するための平板部と、平板部の第１の辺に沿って第１の方向に延在する第１ストッパーと、平板部の第２の辺に沿って第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２ストッパーとを有するホルダーと、ホルダーの平板部に設けられたコイルとを備え、コイルは、コイル軸方向から見て、第１の方向に対して所定の傾きを有する第３の方向における外形サイズが第３の方向と直交する第４の方向における外形サイズよりも大きい。

本開示によれば、サイズの異なる種々の対象機器を充電することが可能となる。

図１は、一実施形態によるコイルモジュール１の外観を示す略斜視図である。 図２は、コイル３の形状及び平板部１０における位置を説明するための第１の模式図である。 図３は、コイル３ｃの平板部１０における位置を説明するための第２の模式図である。 図４は、コイル３ｃの平板部１０における位置を説明するための第３の模式図である。 図５は、コイル３の平板部１０における位置を説明するための第４の模式図である。 図６は、コイル３の構成を示す略断面図である。 図７は、第１のコイルパターン１００のパターン形状を説明するための平面図であり、基材２０の一方の表面２１側から見た状態を示している。 図８は、第１及び第２のコイルパターン１００，２００のパターン形状を説明するための平面図であり、基材２０の一方の表面２１側から見た状態を示している。 図９は、コイル３の等価回路図である。 図１０は、コイルモジュール１を用いたワイヤレス電力伝送デバイス４０のブロック図である。 図１１は、変形例によるコイルモジュール１Ａの模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本開示の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、一実施形態によるコイルモジュール１の外観を示す略斜視図である。

図１に示すように、本実施形態によるコイルモジュール１は、スマートフォンなどの対象機器を載置するホルダー２と、ホルダー２に内蔵された充電用のコイル３とを備えている。ホルダー２は、対象機器を載置するための平板部１０を有している。平板部１０の表面はｘｙ平面を有し、第１の方向であるｙ方向に延在する辺１１，１３と、第２の方向であるｘ方向に延在する辺１２，１４とを有している。辺１１は第１の辺であり、辺１３は辺１１とは反対側に位置する。辺１２は第２の辺であり、辺１４は辺１２とは反対側に位置する。平板部１０の形状は、ｘ方向における幅よりもｙ方向における高さが大きい縦長形状である。

ホルダー２は、平板部１０の辺１１に沿ってｙ方向に延在するサイドストッパー１５と、平板部１０の辺１２に沿ってｘ方向に延在する下部ストッパー１６をさらに有する。サイドストッパー１５はｚ方向に突出しており、これにより平板部１０に載置された対象機器をｘ方向に位置決めする役割を果たす第１ストッパーの一例である。下部ストッパー１６はｚ方向に突出しており、これにより平板部１０に載置された対象機器をｙ方向に位置決めする役割を果たす第２ストッパーの一例である。サイドストッパー１５は、平板部１０の辺１１の全体に亘って設けられていても構わないし、辺１１の一部にのみ設けられていても構わない。同様に、下部ストッパー１６は、平板部１０の辺１２の全体に亘って設けられていても構わないし、辺１２の一部にのみ設けられていても構わない。

コイル３は、ホルダー２の平板部１０に設けられる。コイル３のコイル軸はｚ方向である。コイル３は、ワイヤレス電力伝送に用いる送電用コイルであり、スマートフォンなどの対象機器をホルダー２に載置すると、ワイヤレス電力伝送によって対象機器を充電することができる。ホルダー２は、自立するためのスタンドを有していても構わないし、このようなスタンドを排除することによって、充電しながらスマートフォンなどの対象機器を操作しやすい構造であっても構わない。ホルダー２に載置可能な対象機器のサイズは固定されておらず、ある程度サイズの異なる種々の対象機器を載置することができる。対象機器には、ワイヤレス電力伝送に用いる受電用コイルが設けられており、送電用コイルであるコイル３と受電用コイルを重ねた状態でコイル３に電流を流すことにより、対象機器が非接触で充電される。

図２は、コイル３の形状及び平板部１０における位置を説明するための模式図である。

図２において、符号３ａはコイル３を構成するスパイラル状のコイルパターンが配置される配線領域であり、符号３ｂは配線領域３ａに囲まれた開口領域である。そして、図２に示すように、ｚ方向から見たコイル３の平面形状は真円形ではなく、且つ、その長軸がｙ方向に対して所定の傾きを有する楕円形である。より具体的に説明すると、コイル３のコイル軸をＣ０とした場合、コイル軸Ｃ０を通る第３の方向の一例であるＡ方向における外形サイズＤ１は、コイル軸Ｃ０を通る第４の方向の一例であるＢ方向における外形サイズＤ２よりも大きい。ここで、Ａ方向とＢ方向は互いに直交し、且つ、ｘ方向及びｙ方向に対して所定の傾きを有している。Ａ方向及びＢ方向は、いずれもｚ方向に対して直交している。コイル軸Ｃ０は、平板部１０の中心と一致しておらず、ｘ方向及びｙ方向にオフセットしている。また、コイル軸Ｃ０と平板部１０の辺１２のｙ方向における距離Ｗ１は、コイル軸Ｃ０と平板部１０の辺１１のｘ方向における距離Ｗ２よりも大きい。

上述の通り、ホルダー２の平板部１０には、スマートフォンなどの対象機器が載置される。対象機器に設けられる受電用コイルの位置は、特にスマートフォンである場合、対象機器のｘ方向における中央部であって、ｙ方向における中央部であることが多い。このため、ホルダー２に比較的小型の対象機器Ｓ１を載置した場合であっても、ホルダー２に比較的大型の対象機器Ｓ２を載置した場合であっても、対象機器Ｓ１又はＳ２に設けられた受電用コイルの全て又は一部がコイル３と重なる。図示しないが、対象機器Ｓ１よりも大きく対象機器Ｓ２よりも小さい対象機器をホルダー２に載置した場合も同様である。一例として、ホルダー２に比較的小型の対象機器Ｓ１を載置した場合、対象機器Ｓ１に設けられた受電用コイルの中心位置Ｃ１は、コイル３の開口領域３ｂの右下部分と重なる一方、ホルダー２に比較的大型の対象機器Ｓ２を載置した場合、対象機器Ｓ２に設けられた受電用コイルの中心位置Ｃ２は、コイル３の開口領域３ｂの左上部分と重なる。

このように、サイズの異なる対象機器Ｓ１，Ｓ２のいずれをホルダー２に載置した場合であっても、対象機器Ｓ１，Ｓ２に設けられた受電用コイルの全て又は一部がコイル３と重なり、好ましくは、コイル３の開口領域３ｂと対象機器Ｓ１，Ｓ２に内蔵された受電用コイルの中心位置Ｃ１，Ｃ２がｚ方向に重なる。これにより、コイル３から発生する磁束が対象機器Ｓ１，Ｓ２に内蔵された受電用コイルと効率よく鎖交するため、高い電力伝送効率を得ることが可能となる。

図２に示すように、平板部１０上においてコイル軸Ｃ０を通り、Ａ方向に延在する仮想線Ｌ１を想定した場合、仮想線Ｌ１は、平板部１０の辺１１，１３と交差することなく、平板部１０の辺１２，１４と交差する。また、仮想線Ｌ１は、平板部１０の辺１１，１２によって構成される角部１７や、角部１７の対角に位置し、平板部１０の辺１３，１４によって構成される角部１８とも交差しない。そして、仮想線Ｌ１と平板部１０の辺１２が成す角度をθ１とし、角部１７，１８を結ぶ対角線Ｌ２と平板部１０の辺１２が成す角度をθ２とした場合、θ１＞θ２である。上述の通り、平板部１０は縦長形状を有していることから角度θ２は４５°超であるが、角度θ１はそれよりも大きいことになる。

このような形状としているのは、仮想線Ｌ１と対角線Ｌ２が重なるようθ１＝θ２に設計すると、図３に示すように、上述したコイル３よりも配線領域３ａの面積が小さいコイル３ｃを用いる必要があり、インダクタンスが低減するからである。特に、図４に示すように、仮想線Ｌ１が角部１７を通過し、且つ、θ１＜θ２となるよう設計すると、縦長形状である対象機器Ｓ１，Ｓ２の受電用コイルの中心位置Ｃ１，Ｃ２とコイル３ｃの開口領域３ｂが重ならなくなり、電力伝送効率が大幅に低下してしまう。これに対し、図２に示すように、θ１＞θ２となるよう設計することにより、コイル３の配線領域３ａの面積を十分に確保しつつ、高い電力伝送効率を得ることが可能となる。

また、θ１＞θ２であっても、仮想線Ｌ１が角部１７を通過するよう設計すると、図５に示すように、平板部１０のｘ方向における幅が小型な対象機器Ｓ１よりも大きくなってしまい、対象機器Ｓ１をホルダー２に載置した状態で把持しにくくなる。これに対し、図２に示すように、仮想線Ｌ１が辺１２と交差するよう設計することにより、比較的小型な対象機器Ｓ１が辺１３からはみ出すことから、対象機器Ｓ１をホルダー２に載置した状態で把持しやすくなる。

図６は、コイル３の構成を示す略断面図である。

図６に示すように、コイル３は、基材２０の一方の表面２１に形成された第１のコイルパターン１００と、基材２０の他方の表面２２に形成された第２のコイルパターン２００とを備えている。第１のコイルパターン１００の内周端と第２のコイルパターン２００の内周端は、基材２０を貫通して設けられた複数のスルーホール導体（図６に示す断面にはスルーホール導体３０５のみが現れている）を介して互いに接続されている。そして、コイル３は、基材２０の一方の表面２１が平板部１０の載置面側を向くよう、ホルダー２に埋め込まれる。基材２０の他方の表面２２側には、フェライトなどの磁性体からなる磁性シート３０を配置することが好ましい。

基材２０の材料については特に限定されないが、ＰＥＴ樹脂などの透明又は半透明なフレキシブル絶縁材料を用いることができる。また、基材２０は、ガラスクロスにエポキシ系樹脂が含浸されたフレキシブル基板であっても構わない。

図７は、第１のコイルパターン１００のパターン形状を説明するための平面図であり、基材２０の一方の表面２１側から見た状態を示している。

第１のコイルパターン１００は、ターン１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０からなる６ターン構成であり、ターン１１０が最外周に位置し、ターン１６０が最内周に位置する。ターン１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０は、スパイラル状の７本のスリットによって径方向に８分割されている。つまり、ターン１１０は並列なライン１１１～１１８に８分割され、ターン１２０は並列なライン１２１～１２８に８分割され、ターン１３０は並列なライン１３１～１３８に８分割され、ターン１４０は並列なライン１４１～１４８に８分割され、ターン１５０は並列なライン１５１～１５８に８分割され、ターン１６０は並列なライン１６１～１６８に８分割される。

そして、ライン１１１，１２１，１３１，１４１，１５１，１６１はスパイラル状に６ターン周回された連続的なラインを構成し、ライン１１２，１２２，１３２，１４２，１５２，１６２はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成し、ライン１１３，１２３，１３３，１４３，１５３，１６３はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成し、ライン１１４，１２４，１３４，１４４，１５４，１６４はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成し、ライン１１５，１２５，１３５，１４５，１５５，１６５はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成し、ライン１１６，１２６，１３６，１４６，１５６，１６６はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成し、ライン１１７，１２７，１３７，１４７，１５７，１６７はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成し、ライン１１８，１２８，１３８，１４８，１５８，１６８はスパイラル状に６ターン周回した連続的なラインを構成する。このうち、ライン１１１，１２１，１３１，１４１，１５１，１６１は最外周に位置するラインであり、ライン１１８，１２８，１３８，１４８，１５８，１６８は最内周に位置するラインである。

ライン１１１～１１８の外周端は、端子電極パターン１０１に共通に接続される。一方、ライン１６１～１６８の内周端は、基材２０を貫通して設けられたスルーホール導体３０１～３０８にそれぞれ接続される。スルーホール導体３０１～３０８は、Ｂ方向に配列されている。

基材２０の他方の表面２２側から見た第２のコイルパターン２００のパターン形状は、基材２０の一方の表面２１側から見た第１のコイルパターン１００のパターン形状と同じである。そして、第２のコイルパターン２００の最内周ターンを構成する８つのラインは、それぞれスルーホール導体３０１～３０８を介して、第１のコイルパターン１００の最内周ターンを構成する８つのラインに接続される。第１のコイルパターン１００と第２のコイルパターン２００は、コイル軸が一致するよう、基材２０の表裏に形成される。これにより、図８に示すように、第１のコイルパターン１００を構成する各ラインと、第２のコイルパターン２００を構成する各ラインは、ｚ方向に互いに重なる。第２のコイルパターン２００の最外周ターンを構成する８つのラインは、端子電極パターン１０２に共通に接続される。

かかる構成により、第１の端子電極パターン１０１と第２の端子電極パターン１０２の間には、図９に示すように、第１のコイルパターン１００と第２のコイルパターン２００が直列に接続されることになる。そして、第１及び第２のコイルパターン１００，２００はいずれも６ターン構成であることから、合計で１２ターン構成のコイルが形成されることになる。しかも、第１のコイルパターン１００において最外周に位置するラインが第２のコイルパターン２００において最内周に位置するラインに接続され、第１のコイルパターン１００において最内周に位置するラインが第２のコイルパターン２００において最外周に位置するラインに接続されることから、内外周差も相殺される。

図１０は、本実施形態によるコイルモジュール１を用いたワイヤレス電力伝送デバイス４０のブロック図である。

図１０に示すワイヤレス電力伝送デバイス４０は、コイルモジュール１に含まれるコイル３と、コイル３に接続された送電回路４１と、送電回路４１に接続された制御回路４２とを備えている。これにより、電源４３によって供給される電力は、ワイヤレス電力伝送用のコイル３を介してスマートフォンなどの対象機器Ｓ１，Ｓ２にワイヤレスで送電することができる。

図１１は、変形例によるコイルモジュール１Ａの模式図である。

図１１に示すように、変形例によるコイルモジュール１Ａは、平板部１０の辺１３に沿ってｙ方向に延在する可動ストッパー１９をさらに備えている。その他の基本的な構成は、上述したコイルモジュール１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

可動ストッパー１９は、ｘ方向における位置が可変である。このため、平板部１０に小型の対象機器Ｓ１を載置する場合には、可動ストッパー１９のｘ方向における位置をＰ１とし、平板部１０に大型の対象機器Ｓ２を載置する場合には、可動ストッパー１９のｘ方向における位置をＰ２とすることにより、対象機器Ｓ１，Ｓ２をホルダー２に載置した状態で把持した場合に、対象機器Ｓ１，Ｓ２がホルダー２から脱落しにくくなる。

以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は、上記の実施形態に限定されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本開示の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

本開示に係る技術には、以下の構成例が含まれるが、これに限定されるものではない。

本開示の一実施態様によるコイルモジュールは、対象機器を載置するための平板部と、平板部の第１の辺に沿って第１の方向に延在する第１ストッパーと、平板部の第２の辺に沿って第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２ストッパーとを有するホルダーと、ホルダーの平板部に設けられたコイルとを備え、コイルは、コイル軸方向から見て、第１の方向に対して所定の傾きを有する第３の方向における外形サイズが第３の方向と直交する第４の方向における外形サイズよりも大きい。

これによれば、サイズの異なる種々の対象機器に対して、非接触で充電することが可能となる。

また、コイル軸方向から見たコイルの平面形状は、楕円形であっても構わない。これによれば、サイズの異なる種々の対象機器を効率よく充電することができる。

また、平板部上においてコイル軸を通り、第３の方向に延在する仮想線は、平板部の第１及び第２の辺によって構成される第１の角部と交差しなくても構わない。これによれば、対象機器をホルダーに載置した状態で把持しやすくなる。この場合、平板部は第１の角部の対角に位置する第２の角部を有し、仮想線と平板部の第２の辺が成す角度は、第１及び第２の角部を結ぶ対角線と平板部の第２の辺が成す角度よりも大きくても構わない。これによれば、コイルの配線領域の面積を十分に確保することが可能となる。

また、コイル軸は、平板部の中心位置と一致しなくても構わない。これによれば、サイズの異なる種々の対象機器を効率よく充電することができる。

また、コイル軸と平板部の第２の辺の第１の方向における距離は、コイル軸と平板部の第１の辺の第２の方向における距離よりも大きくても構わない。これによれば、縦長形状を有する対象機器に対する電力伝送効率を高めることができる。

また、コイルは、基材の一方の表面に設けられた第１のコイルパターンと、基材の他方の表面に設けられた第２のコイルパターンと、基材を貫通して設けられ、第１のコイルパターンの内周端と第２のコイルパターンの内周端を接続するスルーホール導体とを含み、第１及び第２のコイルパターンを構成する各ターンは、並列な複数のラインに分割されており、スルーホール導体は、複数のラインにそれぞれ割り当てられ、且つ、第４の方向に配列されていても構わない。これによれば、内外周差が相殺されるとともに、コイルの開口領域の第４の方向における幅を十分に確保することが可能となる。

また、ホルダーは、平板部の第１の辺とは反対側に位置する第３の辺に沿って第１の方向に延在し、第２の方向における位置が可変な可動ストッパーをさらに有していても構わない。これによれば、対象機器をホルダーに載置した状態で把持した場合に、対象機器がホルダーから脱落しにくくなる。

また、本開示によるワイヤレス電力伝送デバイスは、上記コイルモジュールと、コイルに接続される送電回路とを備える。これによれば、サイズの異なる種々の対象機器に対して、非接触で充電することが可能なワイヤレス電力伝送デバイスを提供することが可能となる。

１，１Ａ コイルモジュール
２ ホルダー
３，３ｃ コイル
３ａ 配線領域
３ｂ 開口領域
１０ 平板部
１１ 第１の辺
１２ 第２の辺
１３ 第３の辺
１４ 第４の辺
１５ サイドストッパー
１６ 下部ストッパー
１７，１８ 角部
１９ 可動ストッパー
２０ 基材
２１ 一方の表面
２２ 他方の表面
３０ 磁性シート
４０ ワイヤレス電力伝送デバイス
４１ 送電回路
４２ 制御回路
４３ 電源
１００ 第１のコイルパターン
１０１，１０２ 端子電極パターン
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０ ターン
１１１～１１８，１２１～１２８，１３１～１３８，１４１～１４８，１５１～１５８，１６１～１６８ ライン
３０１～３０８ スルーホール導体
Ｃ０ コイル軸
Ｃ１，Ｃ２ 受電用コイルの中心位置
Ｄ１，Ｄ２ コイルの外形サイズ
Ｌ１ 仮想線
Ｌ２ 対角線
Ｓ１，Ｓ２ 対象機器
Ｗ１，Ｗ２ 距離
θ１，θ２ 角度

Claims (9)

1. 対象機器を載置するための平板部と、前記平板部の第１の辺に沿って第１の方向に延在する第１ストッパーと、前記平板部の第２の辺に沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２ストッパーとを有するホルダーと、
   前記ホルダーの前記平板部に設けられたコイルと、を備え、
   前記コイルは、コイル軸方向から見て、前記第１の方向に対して所定の傾きを有する第３の方向における外形サイズが前記第３の方向と直交する第４の方向における外形サイズよりも大きい、コイルモジュール。
2. 前記コイル軸方向から見た前記コイルの平面形状が楕円形である、請求項１に記載のコイルモジュール。
3. 前記平板部上において前記コイル軸を通り、前記第３の方向に延在する仮想線は、前記平板部の前記第１及び第２の辺によって構成される第１の角部と交差しない、請求項１又は２に記載のコイルモジュール。
4. 前記平板部は、前記第１の角部の対角に位置する第２の角部を有し、
   前記仮想線と前記平板部の前記第２の辺が成す角度は、前記第１及び第２の角部を結ぶ対角線と前記平板部の前記第２の辺が成す角度よりも大きい、請求項３に記載のコイルモジュール。
5. 前記コイル軸が前記平板部の中心位置と一致しない、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコイルモジュール。
6. 前記コイル軸と前記平板部の前記第２の辺の前記第１の方向における距離は、前記コイル軸と前記平板部の前記第１の辺の前記第２の方向における距離よりも大きい、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のコイルモジュール。
7. 前記コイルは、基材の一方の表面に設けられた第１のコイルパターンと、前記基材の他方の表面に設けられた第２のコイルパターンと、前記基材を貫通して設けられ、前記第１のコイルパターンの内周端と前記第２のコイルパターンの内周端を接続するスルーホール導体とを含み、
   前記第１及び第２のコイルパターンを構成する各ターンは、並列な複数のラインに分割されており、
   前記スルーホール導体は、前記複数のラインにそれぞれ割り当てられ、且つ、前記第４の方向に配列されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のコイルモジュール。
8. 前記ホルダーは、前記平板部の前記第１の辺とは反対側に位置する第３の辺に沿って前記第１の方向に延在し、前記第２の方向における位置が可変な可動ストッパーをさらに有する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコイルモジュール。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のコイルモジュールと、
   前記コイルに接続される送電回路と、を備えるワイヤレス電力伝送デバイス。

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