JP4451463B2 - 非接触電力伝送装置の送電トランス - Google Patents

Description

本発明は、コードレス電話機、携帯用機器等の電源として利用される充電式電池に電磁誘導作用により送電機器から受電機器へ金属接点を介さず非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置のトランスに関する。

図８に回路構成が簡単で電力消費の少ない回路方式として電力伝送部に自励式発振回路を用いた非接触電力伝送装置を示す。
図において、送電機器である送電側１０は電力伝送部に送電コイルＬ１と自励発振のためのドライブコイルＬ２との送電トランスＴと、電流をオンオフするスイッチング素子Ｑ１の構成からなり、携帯機器である受電側２０は受電コイルＬ３と整流平滑回路からなり、図には記載のない充電制御回路及び充電式電池からなる構成である。そして、分離可能な筐体に送電コイルＬ１の巻線面と受電コイルＬ３の巻線面が対向するように配置し電力伝送を構成する。

このような構成において、携帯機器１０の電力伝送部に送電コイルＬ１とドライブコイルＬ２をそなえた送電トランスＴと携帯機器２０の受電コイルＬ３の配置を図９に示す。送電コイルＬ１は自己融着線を使用した空芯コイルからなり、ドライブコイルＬ２は周辺回路と同一の基板Ｐ１の面に回路パターンと同様に形成したプリントコイルであり、そのプリントコイルの巻線面と送電コイルである空芯コイルの巻線面が基板を挟んで接着剤等で固定されている。また、受電コイルＬ３は送電コイルＬ１と同じ自己融着線からなる空芯コイルを基板Ｐ２に取付け、その捲線面を筐体の底面側に配置されており、それぞれの筐体を挟んで受電コイルＬ３の巻線面と送電コイルＬ１の巻線面が対向するように配置、送電機器１０から携帯機器２０に電力を伝送する方法が特許文献１に記載されている。

この方法において、入力が直流電圧（ＤＣ）の低入力仕様の場合、送電コイルＬ１、ドライブコイルＬ２ともに大きな電流が流れるためプリントコイルで形成したものでは損失が大きくなるという問題がある。また、他の自励発振回路であるリンギングチョークコンバータ（ＲＣＣ）の共振回路で使用する場合、ドライブコイルＬ２はスイッチング素子Ｑ１としてＭＯＳＦＥＴを用いるため、ＭＯＳＦＥＴのゲート閾値電圧以上のドライブ電圧が必要でありプリントコイルで形成するためには巻数を多くしなければならずプリントコイル自体が大きくなり、実用化が難しかった。さらに、コレクター共振回路で使用する場合、回路基板を挟んでプリントコイルＬ２の反対面に送電コイルＬ１を設けると、送電コイルＬ１とドライブコイルＬ２の結合が基板の厚み分悪化するため、その分、巻数を増加する必要が有りプリントコイルで形成するには巻数を多くしなければならずプリントコイル自体が大きくなり、実用化が難しかった。

特開２００２−１７０４６号公報 特開平８−７９９７６号公報

これらを解決するために、基板を挟んで送電コイルの空芯コイルと反対面にドライブコイルとして空芯コイルを張り付ける方法も考えられるが、巻線端末の接続等の作業性および接続信頼性に欠けることより実用的ではなかった。

本発明の目的は、上記の点に鑑み、各々の自励式発振回路を用いた非接触電力伝送装置において、実装作業性と接続信頼性を考慮した送電トランスを設けることを目的とする。

本発明は、送電機器側に送電コイルと自励発振のためのドライブコイルを備えた非接触電力伝送装置の送電トランスにおいて、送電コイルとドライブコイルを配設するボビンを備え、送電コイルとドライブコイルは自己融着線を用いた空芯コイルからなり、ボビンは平板からなる鍔を挟んで対向する両面に巻軸を備え、巻軸の一方の端部に外部と嵌合する嵌合部を備え、嵌合部側の巻軸にドライブコイルを、鍔を挟んで対向する他方の巻軸に送電コイルを挿着してなることを特徴とする。
また、前記ボビンは平板からなる鍔を挟んで対向する両面に巻軸と該巻軸の一方の端部に嵌合部を備えた第１のボビンと、複数の外部端子を備え中心部に嵌合孔を備えた第２のボビンとからなり、第１のボビンの嵌合部側の巻軸にドライブコイルを、鍔を挟んで対向する他方の巻軸に送電コイルを挿着し、第１のボビンと第２のボビンを嵌合してなることを特徴とする。
さらにまた、前記ボビンは平板からなる鍔を挟んで対向する両面に巻軸と該巻軸の一方の端部に嵌合部を備えた第１のボビンと、複数の外部端子を備え中心部に嵌合孔を備えた第２のボビンとからなり、第１のボビンと第２のボビンを嵌合し、嵌合部側の巻軸にドライブコイルを所定の巻数を巻回し、鍔を挟んで他方の巻軸に送電コイルである自己融着線を用いた空芯コイルを挿着してなることを特徴とする。

非接触電力伝送装置の送電トランスをボビンを用いた構成にしたため、ボビンの鍔厚を所定の厚さにすることにより送信コイルとドライブコイルの結合を深め、ドライブコイルの巻数を低減し所定の巻数にすることができる。また、ドライブコイルの巻数が要求されるものに対しては第１のボビンと第２のボビンを嵌合し、第１のボビンの鍔と第２のボビンに比較的巻数の多いドライブコイルを巻線することによって形成することができる。
さらに、第１のボビンの嵌合部を直接回路基板に装着したり、第１のボビンと第２のボビンを嵌合して回路基板への実装を容易にすることができる。
このように、本発明の非接触電力伝送装置の送電トランスは第１のボビンおよび第２のボビンを用いることにより実装作業性と接続信頼性を図ることができる。

本発明の一実施例である非接触電力伝送装置の送電トランスを図１から図５を用いて詳しく説明する。

送電トランスの構成において、Ｌ１は送電コイル、Ｌ２はドライブコイル、１は第１のボビン、５は第２のボビンの構成である。
図１にしめすように、第１のボビン１は、耐熱性・絶縁性の合成樹脂からなり、円筒形の筒状部に所定の厚みを設けた略四角形の鍔２とその対向する両面に巻軸１ａと巻軸１ｂを設け、巻軸１ｂの端部（底面側）に延在する固定用の嵌合部３を備えている。そして、鍔２の縁から巻軸付近まで切れ込んだ複数のスリット４を備えている。

第２のボビン５は、平板な略四角形の耐熱・絶縁性の合成樹脂からなり、第１のボビン１の嵌合部３を嵌合する嵌合孔６を備え、外部回路と接続する導電性の複数の外部端子Ｓ１−Ｓ４を設け、その外部端子と内部で一体的に繋がった絡げ端子Ｓ１ａ―Ｓ４ａからなる（図２（ｃ）参照）。
送電コイルＬ１とドライブコイルＬ２の空芯コイルは、例えば、ポリウレタンで被覆した銅線の外周に熱可塑性の融着性ワニス等を被せた所謂自己融着線を用いて巻線されたもので、中心部に巻軸の孔のある薄型で円筒形状したものである。 送電コイルは巻数が多く、ドライブコイルは一般的には少なく一層巻き程度である。

第１の実施例として、外部基板面に直接取り付けることのできる送電トランスＴ１について説明する。図１に送電トランスＴ１を示す。図１において、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は正面図である。
図１に示すように、送電トランスＴ１は第１のボビン１の鍔２と、その鍔２を挟んで上側の巻軸１ａに送電コイルＬ１を挿着し、鍔２上面と送電コイルＬ１の巻線面を接着剤等により固定する。そのとき、送電コイルＬ１の巻始めリードＬ１ａを鍔２に設けたスリット４に沿って外部に引き出しておく。
次に、第１のボビン１の鍔２の下側の巻軸１ｂにドライブコイルＬ２を挿着し、鍔２の下面と送電コイルＬ１の巻線面を接着剤等により固定する。そのとき、ドライブコイルＬ２の巻始めリードＬ２ａを鍔２に設けたスリット４に沿って外部に引き出しておく。

ここで、外部回路との接続において、外部基板面（図示せず）に前記ボビンの嵌合部３に合致した嵌合孔を設けてある場合は直接第１のボビンを嵌合・固定し、送電コイルＬ１の巻き始めＬ１ａ、巻き終わりＬ１ｂおよびドライブコイルＬ２の巻き始めＬ２ａ、巻き終わりＬ２ｂの巻線リードを基板面の所定の回路パターンにそれぞれ半田付け等で電気的に接続する。

第２の実施例として、外部基板面に嵌合孔等設けることができない場合の送電トランスＴ２について説明する。
図２に送電トランスＴ２の組立説明図を示す。図２において、図２（ａ）は送電トランスＴ１の正面図であり、図２（ｂ）は第２のボビンの正面図であり、図２（ｃ）は第２のボビンの平面図である。
図２に示すように、送電トランスＴ２は、実施例１の送電トランスＴ１に複数の外部端子を備えた第２のボビン５を用いたものである。
第２の実施例では、第１の実施例である送電トランスＴ１の第１のボビン１に備えた嵌合部３を、第２のボビン５に設けた嵌合孔６に嵌合し、固定する。なお、嵌合時において嵌合ガタ等危惧される場合は接着剤等で固定することが望ましい。

次に、送電コイルＬ１の巻き始めリードＬ１ａ、巻き終わりリードＬ１ｂおよびドライブコイルＬ２の巻き始めリードＬ２ａ、巻き終わりリードＬ２ｂを第２のボビンの絡げ端子にそれぞれ絡げる。例えば、ドライブコイルＬ２の巻き始めリードＬ２ａは絡げ端子Ｓ３ａに、巻き終わりリードＬ２ｂは絡げ端子Ｓ４ａに、送電コイルＬ１の巻き始めリードＬ１ａは絡げ端子Ｓ２ａに、巻き終わりリードＬ１ｂは絡げ端子Ｓ１ａに絡げる（図３（ａ）参照）。そして、全端子を静止半田層に浸責し電気的に接続する。
このように第２の実施例の送電トランスＴ２は第２のボビン５を用い、第２のボビン５に設けた外部端子Ｓ１−Ｓ４により外部基板と電気的に接続できる。また、図に示すように外部端子が面実装に対応した端子であれば他の面実装電子部品と同様にリフロー半田等により同時に電気的に接続することができる。

第３の実施例として、ドライブコイルＬ２の巻数が比較的多い場合、および、巻線の自由度があるコイルに最適な送電トランスＴ３について説明する。
図３に送電トランスＴ３の平面図（ａ）と正面図（ｂ）を示す。
図４は第１のボビンと第２のボビンの組み合わせ図であり、図４（ａ）は第１のボビン、図４（ｂ）は第２のボビン、図４（ｃ）は第１のボビンと第２のボビンを嵌合した図である。
図４に示すように、送電トランスＴ３は、実施例１、実施例２で説明した第１のボビン図４（ａ）と第２のボビン図４（ｂ）の嵌合部を予め嵌合した図４（ｃ）を用いる。

送電トランスＴ３は図３に示すように、まず、ドライブコイルＬ２をボビン１の巻軸１ｂにウレタン被膜導線を用いて所定の巻数を巻回する。この時、ドライブコイルＬ２の巻き始めリードＬ２ａは鍔２に設けたスリット４から外部に引き出し、巻線終了時の巻き終わりリードＬ２ｂを絡げ端子Ｓ４ａに絡げた後、巻き始めリードＬ２ａを他の絡げ端子Ｓ３ａに絡げる。そして、送電コイルＬ１は自己融着線を用いた空芯コイルを用い、第１のボビン１の巻軸１ａに送電コイルＬ１を挿着し、鍔面と空芯コイルの巻線面を接着固定する。この時、送電コイルＬ１の巻き始めリードＬ１ａは鍔２に設けたスリット４から引き出し絡げ端子Ｓ２ａに、巻き終わりリードＬ１ｂは絡げ端子Ｓ１ａに絡げる。そして、全端子を静止半田層に浸責し電気的に接続する。

また、ドライブコイルＬ２は所定の巻数において、図５（ａ）に示すように樹脂からなる絶縁線９と絶縁被膜導線８とを一対とし、図５（ｂ）に示すように絶縁線と絶縁被膜導線を均等巻きに巻回し、ドライブコイルがスペース巻きとなるようにする。このようにすることにより、密着巻きよりも送電コイルとの結合が強くできる。
また、第１―第３の実施例のドライブコイルの空芯コイルにおいても、絶縁線と絶縁被膜導線を一対としてスパイラル状に巻回したものを熱可塑性の融着性ワニス等により固めたものを用いてもよい。

次に、図６に他の実施例の送電コイルＴ４を示す。
送電コイルからの不要輻射あるいは外部基板の回路パターンと磁界成分が直行するため渦電流による損失を抑制するための実施例である。
図６に示すように、構成的には、実施例１、２、３で説明した送電トランスＴ１、Ｔ２、Ｔ３において、ドライブコイルＬ２の底面側の巻線面に鍔の外径とほぼ同じか又は大きさの大きい磁性シート７を設ける。

この磁性シート７は磁性粉とゴム材（絶縁層）を材料としており、その材料の組み合わせとして、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金（偏平状）とポリエチレン系熱可塑性エストラマー（ＮＥＣトーキン（株）の製品「バスタレイド」）、Ｍｎ／ＺｎフェライトとＥＰＤＭ（ＴＤＫ（株）の製品「フレキシールド（ＩＶ−Ｍ）」）等を用いる。また、これら製品に代えて同じような電波吸収効果を有する他の電波吸収材を使用してもよい。
この様にすることにより、送電トランスを載置した外部基板面にも回路パターンを設けることができ、さらなる小型化と不要輻射を抑制することが可能となる。

図７にボビン１とボビン２を強固に嵌合する構成を示す。
第１のボビンの嵌合部３は対向する面の先端部にスリット３ｂと突起３ａを備え、第２のボビンの嵌合孔６には第１のボビンの嵌合孔の突起３ａに対応する凹部６ａを設けることにより第１のボビンとの回転を抑え、スリット３ｂによって組み合わせを容易にするようにしたもので、この実施例に限られるものではない。その他、位置ズレ防止、抜け防止等のための溝や突起を設けてもよい。

以上説明したように、本発明の非接触電力伝送装置の送電トランスはボビンを用いた構成にしたため、ボビンの鍔厚を所定の厚さにすることにより送信コイルとドライブコイルの結合を深め、所定の巻数を低減し、さらに、ドライブコイルの巻数を任意の巻き方として結合を深める。さらに、第１のボビンの嵌合部を直接回路基板に装着したり、第１のボビンと第２のボビンを嵌合して回路基板への実装を容易にすることができる。さらにまた、磁気シートをドライブコイルと回路基板との間に設けることにより、発振ノイズの抑制および回路パターンとの渦電流損を防止することができる。
このように、本発明の非接触電力伝送装置の送電トランスは第１のボビンおよび第２のボビンを用いることにより実装作業性と接続信頼性を図ることができる。

本発明の第１の実施例である非接触電力伝送装置の送電トランス 本発明の第２の実施例である非接触電力伝送装置の送電トランス 本発明の第３の実施例である非接触電力伝送装置の送電トランス 本発明の実施例である第１のボビンと第２のボビンの組み合わせ図 本発明の実施例に用いたドライブコイルの巻線 本発明の第４の実施例である非接触電力伝送装置の送電トランス 本発明の実施例である第１のボビンと第２のボビンの嵌合部の詳細 自励式発振回路を用いた一般的な非接触電力伝送装置 送電トランスと受電コイルの配置図

Ｌ１ 送電コイル
Ｌ２ ドライブコイル
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ 送電トランス
１ 第１のボビン
１ａ、１ｂ 巻軸
２ 鍔
３ 嵌合部
４ スリット
５ 第２のボビン
６ 嵌合孔
７ 磁性シート
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 外部端子

Claims (5)

1. 送電機器側に送電コイルと自励発振のためのドライブコイルを備えた非接触電力伝送装置の送電トランスにおいて、
   前記送電コイルと前記ドライブコイルは自己融着線を用いた空芯コイルからなり、
   前記送電コイルと前記ドライブコイルを配設するボビンを備え、該ボビンは平板からなる鍔を挟んで対向する両面に巻軸と該巻軸の一方の端部に嵌合部を備えた第１のボビンと、複数の外部端子を備え中心部に嵌合孔を備えた第２のボビンとからなり、
   該第１のボビンの該嵌合部側の巻軸に該ドライブコイルを、該鍔を挟んで対向する他方の巻軸に送電コイルを挿着し、該第１のボビンと該第２のボビンを嵌合してなることを特徴とする非接触電力伝送装置の送電トランス。
2. 送電機器側に送電コイルと自励発振のためのドライブコイルを備えた非接触電力伝送装置の送電トランスにおいて、
   前記送電コイルと前記ドライブコイルを配設するボビンを備え、該ボビンは平板からなる鍔を挟んで対向する両面に巻軸と該巻軸の一方の端部に嵌合部を備えた第１のボビンと、複数の外部端子を備え中心部に嵌合孔を備えた第２のボビンとからなり、
   該第１のボビンと該第２のボビンを嵌合し、嵌合部側の巻軸に前記ドライブコイルを所定の巻数を巻回し、該鍔を挟んで他方の巻軸に前記送電コイルである自己融着線を用いた空芯コイルを挿着してなることを特徴とする非接触電力伝送装置の送電トランス。
3. 前記ドライブコイルは樹脂からなる絶縁線と絶縁被膜導線とを一対として均等巻きしてなることを特徴とする請求項１−２記載の非接触電力伝送装置の送電トランス。
4. 前記ボビンおよび第１の鍔に該鍔の縁から巻軸付近まで切れ込んだ複数のスリットを備え、前記送電コイルと前記ドライブコイルの巻き始めリードを該スリットに沿って引き出したことを特徴とする請求項１−３記載の非接触電力伝送装置の送電トランス。
5. 前記ドライブコイルと嵌合部間または第２のボビン間に磁気シートを設けたことを特徴とする請求項１−４に記載の非接触電力伝送装置の送電トランス。

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