JP5003835B1 - 非接触充電モジュール及びそれを用いた非接触充電機器 - Google Patents

Abstract

【課題】渦巻状の電線部からなる平面コイル部と磁性シートとを有する非接触充電モジュールにおいて、位置決めマグネットの磁界の影響を少なくして電力伝送効率を維持しながら非接触充電モジュールを小型化する非接触充電モジュール及びそれを用いた非接触充電機器を提供することを目的とする。
【解決手段】平面上において導線を略矩形状に巻回してコイルを形成した平面コイル部２ａの内側の対向する内辺間の最短距離をｙ１とし、送電用非接触充電モジュールと受電用非接触充電モジュールとの位置合わせに使用するマグネット４の直径をｍとした場合に、ｙ１≧ｍの関係を有するようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は、渦巻状の導線からなる平面コイル部と磁性シートとを有する非接触充電モジュール及びそれを用いた非接触充電機器に関する。

近年、本体機器を充電器で非接触充電することのできるものが多く利用されている。これは、充電器側に送電用コイル、本体機器側に受電用コイルを配し、両コイル間に電磁誘導を生じさせることにより充電器側から本体機器側に電力を伝送するものである。そして、上記本体機器として携帯端末機器等を適用することも提案されている。

この携帯端末機器等の本体機器や充電器は、薄型化や小型化が要望されるものである。この要望に応えるため、（特許文献１）のように、送電用コイルや受電用コイルとしての円形に巻回した平面コイル部と、磁性シートとを備えることが考えられる。

また、送電用コイルと受電用コイルとの位置合わせのために一例として送電用コイルの中心部に円形マグネットを設けることが規格提案されている。

特開２００６−４２５１９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、コイルの中心部上にマグネットを取り付けるとなると、マグネットから発する磁界によって磁性シートの磁気特性を弱めてしまう。それで、マグネットの磁界の影響を避けるために平面状のコイルの径を大きくしなければならなくなってしまい、その結果、非接触充電モジュールの小型化をすることができなくなってしまう。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、非接触充電モジュールの電力伝送効率の悪化を防止し、それにより非接触充電モジュールを小型化することができる非接触充電モジュール及びそれを用いた非接触充電機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、他方の非接触充電モジュールと電磁誘導によって電力伝送を行なう非接触充電モジュールであって、前記他方の非接触充電モジュールとの位置合わせに際し、前記他方の非接触充電モジュールの相手側平面コイル部の中空部に備えられた円形マグネットを利用して位置合わせを行なう場合、及び円形マグネットを利用しないで位置合わせを行なう場合と、があり、かつ自らは位置合わせ用マグネットを有さない非接触充電モジュールにおいて、導線が略矩形状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイル面を載置し、前記平面コイル部のコイル面に対向するように設けられた磁性シートと、を備え、前記平面コイル部の略矩形状である中空部における対向する内辺間の最短距離の長さが、前記円形マグネットの径よりも長いことを特徴とする非接触充電モジュールである。

このように本発明によれば、平面コイル部の設置面積を従来の円形コイルを用いた場合の設置面積と同じ面積にしたまま平面コイルのコイル内側面積を大きくすることができるために、位置合わせのためにコイル中心部にマグネットがあっても、非接触充電モジュールの電力伝送効率の低下を防止でき、それにより非接触充電モジュールを薄型化・小型化できる。

本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールの組立図 本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールの磁性シートの概念図 本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールのコイルの配置図 本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールのコイル内寸とコイルのＬ値減少率との関係を示す図 本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールの磁界の大きさを表示する図 本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールのフェライトシートの厚みとコイルのＬ値との関係を示す図 本発明の第２の実施の形態における非接触充電モジュールと電力伝送を行う他方の非接触充電モジュールに備えられたマグネットの位置関係を示す模式図

請求項１に記載の発明は、他方の非接触充電モジュールと電磁誘導によって電力伝送を行なう非接触充電モジュールであって、前記他方の非接触充電モジュールとの位置合わせに際し、前記他方の非接触充電モジュールの相手側平面コイル部の中空部に備えられた円形マグネットを利用して位置合わせを行なう場合、及び円形マグネットを利用しないで位置合わせを行なう場合と、があり、かつ自らは位置合わせ用マグネットを有さない非接触充電モジュールにおいて、導線が略矩形状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイル面を載置し、前記平面コイル部のコイル面に対向するように設けられた磁性シートと、を備え、前記平面コイル部の略矩形状である中空部における対向する内辺間の最短距離の長さが、前記円形マグネットの径よりも長いことを特徴とする非接触充電モジュールである。

本発明における請求項１の発明によれば、位置合わせのためにコイル中心部にマグネットがあっても、非接触充電モジュールの電力伝送効率の悪化を防止できる。そして、非接触充電モジュールの薄型化・小型化を達成することができる。そして、備えられた磁性シートは平面コイル部から磁性シート裏面側への磁束漏れを防止するとともに、位置合わせに使用するマグネットとの吸引に役立つことができる。

請求項２に記載の発明は、磁性シートの形状は略矩形であり、磁性シートにその端部に向かって垂直に延びる凹部またはスリットを設けたことを特徴とする請求項２に記載の非接触充電モジュールである。

本発明における請求項２の発明によれば、利用しやすい矩形の磁性シートにおいて凹部またはスリットの長さや面積を最小限に抑えることができる。また、磁性シートに凹部またはスリットを設けたので平面コイルの端子部の収納がしやすく、非接触充電モジュールが大きくなるのを防止することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の非接触充電モジュールを、送電用モジュールまたは受電用モジュールの少なくともいずれかひとつに用いたことを特徴とする非接触電子機器である。

本発明における請求項３の発明によれば、非接触充電モジュールの用いる平面コイルを矩形にすることで位置合わせマグネットの磁界の影響を避け、非接触充電モジュールの電力伝送効率を向上させることにより、非接触電子機器を薄型化することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールの組立図、図２は、本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールの磁性シートの概念図である。本実施の形態の非接触充電モジュール１は、平面上に１本の円形状の導線が略矩形状に巻回された平面コイル部２と、平面コイル部２のコイル２１の面に対向するように設けられた磁性シート３とを備え、複数の導線はお互いにその両端でそれぞれ接続されている。

図１に示すとおり、平面コイル部２は、平面上で略矩形状に導電体を巻いたコイル２１と、コイル２１の両端に設けられた端子２２、２３を備える。コイル２１によって形成された面をコイル面と呼ぶ（コイル形状の詳細は後述する）。

なお、本実施の形態では、１本の導線を平面上で略矩形状に巻回してコイル２１が形成されているが、２本以上の導線が平面状で略矩形状に巻きまわされ、一方の導線が他方の導線に挟まれるようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、断面積が円形状の導線としているが、方形形状などの導線でも良い。ただし、断面積が方形状の導線と比較して円形状の導線とでは、隣り合う導線どうしの間に隙間が生じるため、導線間の浮遊容量が小さくなり、コイル２１の交流抵抗を小さく抑えることができる。

また、コイル２１は厚み方向に２段で巻回するよりも１段で巻回した方がコイル２１の交流抵抗が低くなり、伝送効率を高くすることができる。これは、２段で導線を巻回すると、上段の導線と下段の導線との間に浮遊容量が発生するためである。従って、コイル２１は全体を２段で巻回するよりも、なるべく多くの部分を１段によって巻回した方が良い。さらに、１段で巻回することによって、非接触充電モジュール１として薄型化することができる。なお、コイル２１の交流抵抗が低いことでコイル２１における損失を防ぎ、Ｌ値を向上させることによって、Ｌ値に依存する非接触充電モジュール１の電力伝送効率を高くさせることができる。すなわち、コイル２１のＬ値が大きいほど非接触充電モジュール１のコイル２１の電力伝送効率は高くなる。

また、本実施の形態においては、図１に示すコイル２１の内側の内幅は１０〜２０ｍｍであり、外側の外幅は約３０ｍｍである。内幅が小さいほど、同じ大きさの非接触充電モジュール１においてコイル２１のターン数を増やすことができ、Ｌ値を向上させることができる。

なお、端子２２、２３はお互いに近接してもよく、離れて配置されてもよいが、離れて配置された方が非接触充電モジュール１を実装しやすい。

磁性シート３は、コイル２１で発生した磁束によってコイル２１の周辺にある金属にうず電流が流れ、そのうず電流で生じる反磁界の発生を減らすために設けたものである。それにより、電磁誘導作用を利用した非接触充電の電力伝送効率を向上させるとともに、平面コイル部２で発生する磁束を増加させるとともに平面コイル部２から磁性シート３裏面側への磁束漏れを防止する。

図２に示す通り、磁性シート３は平坦部３１と、中心の凸部３２と、直線部の凹部とを備える。また、本実施の形態においては、磁性シート３としてＮｉ−Ｚｎ系のフェライトシート、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトシート、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトシートなどを使うことができる。フェライトシートは、アモルファス金属の磁性シートに比較してコイル２１の交流抵抗を低下させることができる。なお、中心の凸部３２は必ずしも必要ではない。また、磁性シート３は飽和磁束密度が３５０ｍＴ以上であって、厚みを３００μｍ以上とするとよい。

本実施の形態において磁性シート３は約３３ｍｍ×３３ｍｍの矩形状である。図２に示すｄ１は０．２ｍｍ、ｄ２は０．６ｍｍになるように、平坦部３１、凸部３２それぞれの厚みを設定している。磁性シート３が厚いほどコイル２１のインダクタンス（Ｌ値）が大きくなり、非接触充電モジュールとしては電力伝送効率が向上するので、凸部３２の高さｄ１は大きければ大きいほど非接触充電モジュール１の伝送効率を向上させる。しかしながら、凸部３２の高さｄ１を導線の直径よりも大きくした分だけ非接触充電モジュール１としての厚みが増加してしまうため、コイル２１を構成する導線の直径とほぼ同一にしている。

また、凸部３２の径は、コイル２１（図１参照）の内幅とほぼ同一である。すなわち、コイル２１の中心と凸部３２の中心はほぼ一致し、コイル２１が凸部３２を中心に巻回されているようになる。また、磁性シート３の端部までのびる直線部の凹部３３の深さｄ３もコイル２１を構成する導線の直径とほぼ同一とし、最低限の深さでしか凹部３３を形成しない。これは、凹部３３が深くなるほど磁性シート３が薄くなるため、非接触充電モジュール１の伝送効率を下げてしまうからである。

凹部３３の幅は０．４ｍｍ〜１ｍｍ程度（導線の径＋約０．１ｍｍ）である。凹部３３は磁性シート３の一辺にほぼ垂直に延びる。このように凹部３３を形成することによって、導線を折り曲げることなく端子２２、２３を形成することができる。なお、この場合、凹部３３の長さは約１５ｍｍ〜２０ｍｍであり、導線を引き出すに必要な長さを有していればよい。また、凹部３３は、他の配置にしてもよい。すなわち、コイル２１はなるべく１段構造であることが望ましく、その場合、コイル２１のすべてのターンを１段構造とするか、一部を１段構造として他の部分を２段構造とすることが考えられる。従って、端子２２、２３のうち一方はコイル２１外周から引き出すことができるが、他方は内側から引き出さなくてはならない。従って、コイル２１が巻回されている部分と、コイル２１の巻き終わりから端子２２または２３までの部分とが、必ず厚さ方向において重なってしまう。従って、その重なる部分に凹部３３を設ければよい。

また、凹部３３はスリットであっても良い。すなわち、凹部３３であれば磁性シート３に貫通孔やスリットを設けないので磁束が漏れることを防ぎ、非接触充電モジュール１の電力伝送効率を向上させることができる。対して、スリットの場合は、磁性シート３の形成が容易となる。凹部３３である場合、断面形状が方形状となるような凹部３３に限定されず、円弧状であったり、丸みを帯びてもよい。

磁性シート３は利用しやすい矩形になっており、シートの取り扱いが容易であるとともに、平面コイル部２よりの磁束漏れを防止することに利用できる設置面積を広く取ることができる。すなわち、設置する四方の隙間までシートで覆うことができ、平面コイル部２よりの磁束漏れを防止すること範囲を広くすることができる。

さらに、磁性シート３に作られた凹部３３またはスリットを磁性シート３の一辺にほぼ垂直に延びる構成にしているので、凹部またはスリットの長さや面積を最小限に抑えることができ、磁束が漏れる量を最小限にでき、非接触充電モジュール１の電力伝送効率を向上させることができる。

なお、前述したｄ１、ｄ２、ｄ３などは、導線の直径に依存するため、上記の値に限定されるものではない。また、ｄ１とｄ３は必ずしも同一である必要もない。

次に、コイル２１の形状について詳細に説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールのコイルの配置図、図４は、本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールのコイル内寸とコイルのＬ値減少率との関係を示す図、図５は、本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールの磁界の大きさを表示する図、図６は、本発明の第１の実施の形態における非接触充電モジュールのフェライトシートの厚みとコイルのＬ値との関係を示す図である。

図３には平面コイル部の配置を示している。（Ａ）は本発明の実施例における矩形の平面コイル部２ａであり、（Ｂ）は従来の円形の平面コイル部２ｂである。両者ともその中心を位置合わせマグネット４の中心と合わせて磁性シート３上に設置されている。ここでは、平面コイル部との位置関係が判るようにするために非接触充電モジュール１外にある位置合わせマグネット４を仮に表記している。

位置合わせマグネット４は直径ｍの円形をしており、磁性シート３は一辺ａの正方形である。なお、磁性シート３は矩形状で正方形でなくてもよいが、非接触充電モジュール１の性能を確保しながら小型化するには正方形のほうが好ましい。

位置合わせマグネット４は、非接触充電モジュール１を使用するに当たって規格提案されているもので、非接触充電モジュール１の電力伝送を確実にし、送受信コイルの中心合わせを行なうために使用される。

なお本実施の形態では、図５に示すように、位置合わせマグネット４は送電側である電子機器に取り付けてあり、非接触充電モジュール１は受電側に取り付けてあるが、これに限定されるわけではなく、位置合わせマグネット４は受電側あるいは両者にあってもよい。また、非接触充電モジュール１も同様に受電側あるいは両者にあってもよい。

同じ巻線数の矩形の平面コイル部２ａまたは円形の平面コイル部２ｂを磁性シート３上に設置した場合、両者とも同一の面積の磁性シート３内に納まる。すなわち、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す通り、同じ巻線数の矩形の平面コイル部２ａまたは円形の平面コイル部２ｂを１辺ａの長さの磁性シート３上に設置した場合矩形の平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離と円形の平面コイル部２ｂの内径を同じ長さｙにすることができる。

一方、矩形の平面コイル部２ａ内側の対角線長は円形の平面コイル部２ｂの内径ｙと同じ長さである矩形の平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離ｙより長いｘとなる。すなわち、矩形の平面コイル部２ａでは円形の平面コイル部２ｂに比べて位置合わせマグネット４と平面コイル部２の内側との間隔を大きく取れる領域が多くなる。すなわち、ｘ＞ｙ、ｘ＞ｍの関係である。

図４は、矩形の平面コイル部２ａ内側の対角線寸法及び円形の平面コイル部２ｂの内径寸法を可変した（磁性シート３の大きさもそれに応じて変えている）時に、位置合わせマグネット４が無い場合に対して位置合わせマグネット４が有る場合の平面コイル部２のＬ値減少率を示したものである。すなわち、Ｌ値減少率が少ないほど位置合わせマグネットの影響が小さいことを表している。

図４に示す通り、コイルの内寸法が大きいほど平面コイル部２のＬ値減少率が少ない。位置合わせマグネット４と平面コイル部２の内側との間隔を余分に取れる領域が多くなるので位置合わせマグネット４の影響が小さくなるためである。一方、矩形の平面コイル部２ａ内側の対角線寸法と円形の平面コイル部２ｂの内径寸法とが同じ値の場合には平面コイル部２のＬ値減少率も同じ値である。

すなわち、矩形の平面コイル部２ａ内側の対角線寸法ｘ及び円形の平面コイル部２ｂの内径寸法ｙが位置合わせマグネット４の直径ｍより大きいと（ｘ＝ｙ＞ｍ）、平面コイル部２の内辺と位置合わせマグネット４の外周辺との間に隙間ができる。ところが、この場合平面コイル２の平面の面積は矩形の平面コイル部２ａのほうが円形の平面コイル部２ｂに比較して小さい。そこで、磁性シート３の大きさに合うように矩形の平面コイル部２ａ内側の対角寸法を大きくすることができる。そうすることで、磁性シート３内に平面コイル部２を設置した場合矩形の平面コイル部２ａのほうが円形の平面コイル部２ｂに比較して平面コイル部２の内辺と位置合わせマグネット４の外周辺との間に隙間が作ることができ、位置合わせマグネット４の影響を小さくすることができる。本実施の形態では、前述した関係を満足するように矩形の平面コイル部２ａの対角線寸法（ｘ）をおよそ２３ｍｍにし、位置合わせマグネット４の径（ｍ）を１５ｍｍΦに設定した。

次に、図５を用いて矩形の平面コイル部２ａで発生する磁界の大きさについて説明する。図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ´断面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。図５（Ｂ）においては、位置合わせマグネット４の端部と矩形の平面コイル部２ａの内端とが近接しており、位置合わせマグネット４の磁界の影響により矩形の平面コイル部２ａで発生する磁界は小さくなる。一方、図５（Ｃ）においては、位置合わせマグネット４の端部と矩形の平面コイル部２ａの内端とが離れており、位置合わせマグネット４の磁界の影響を受けにくくなり矩形の平面コイル部２ａで生じる磁界は大きくなる。

要するに、上述した円形の平面コイル部２ｂ（図３（Ｂ）参照）ではコイル円周のどこでも図５（Ｂ）の条件になっており、円形の平面コイル部２ｂで生じる磁界は小さく、すなわち電磁誘導の相互インダクタンスに影響を与える円形の平面コイル部２ｂのＬ値は小さくなり、非接触充電モジュールの電力伝送効率は低い。一方、上述した矩形の平面コイル部２ａ（図３（Ａ）参照）ではコイルの周上で図５（Ｂ）の条件から図５（Ｃ）の条件まで積算されるので、矩形の平面コイル部２ａで生じる磁界は大きく、すなわち電磁誘導の相互インダクタンスに影響を与える矩形の平面コイル部２ａのＬ値は円形の平面コイル部２ｂのＬ値より大きくなり、それで非接触充電モジュールの電力伝送効率は円形の平面コイル部２ｂに比べ大きく向上することになる。

次に、矩形の平面コイル部２ａ（図３（Ａ）参照）と円形の平面コイル部２ｂ（図３（Ｂ）参照）で磁性シート３のフェライト厚みを変えて平面コイル部２のＬ値を測定した結果について説明する。図６は磁性シート３のフェライト厚みを変えて平面コイル部２のＬ値を測定した結果を示している。ここでＬ値とは平面コイル部２のインダクタンス値であり、その値が大きいほど非接触充電モジュールの電力伝送の効率が高くなる。

非接触充電モジュールの電力伝送の性能を満足させるには、コイル２１のＬ値は６〜８μＨ必要であるが、位置合わせマグネット４が有る場合には位置合わせマグネット４の影響で磁性シート３の磁界強度アップの効果が低減する。

図６によると、位置合わせマグネット４がある時には円形の平面コイル部２ｂが６〜８μＨ発生するには磁性シート３のフェライト厚みは５００μｍ必要である。それに比較し、同じフェライト厚みを持つ矩形の平面コイル部２ａのＬ値は１２μＨとなる（矢印Ａ）。

磁性シート３のフェライト厚みと面積が同一の条件下では矩形の平面コイル部２ａのＬ値のほうが円形の平面コイル部２ｂに比べて大きい値になっている。したがって、矩形の平面コイル部２ａで生じる磁界は大きく、非接触充電モジュールの電力伝送効率は大きくなることとなる。

矩形の平面コイル部２ａと円形の平面コイル部２ｂのＬ値を同じにしようとした場合では矩形の平面コイル部２ａのほうが磁性シート３のフェライト厚みを薄く設定することができる。すなわち、Ｌ値の目標値である６〜８μＨにするには、矩形の平面コイル部２ａの磁性シート３のフェライト厚みを３００μｍにすることができ（矢印Ｂ）、フェライトの厚みを薄くすることができる。したがって、非接触充電モジュール１の厚さを薄くすることができ、小型化しやすくなる。

このように、非接触充電モジュールの用いる平面コイルを矩形にすることで位置合わせマグネットの磁界の影響を避け、非接触充電モジュールの電力伝送効率を向上させることにより非接触受電モジュールの小型化を達成することができる。

なお、コイル２１は矩形に巻回されることに限定されず、角にＲを有した方形状や多角形状に巻回される場合もある。すなわち、コイル２１の形状は、その全体が磁性シート３上にあって、コイル２１の内縁が位置合わせマグネット４の外縁から離れる部分を多く有する形状であればよい。その中でも、矩形の形状は上述した効果を得られるとともに、矩形コイルを容易に作成することができるものである。

本実施の形態では、矩形の平面コイル部２ａのコイル２１の巻回は正方形で説明しているが、これに限るわけではなく長方形でもよい。すなわち、コイル２１の４つの内辺の少なくとも一部が位置合わせマグネット４の外周よりも外側にあれば、上述した効果が得られる。

なお、位置合わせマグネット４は、必ずしも送電用と受電用の両方の非接触充電モジュール内に設置されているわけでは無く、片方に設置されている場合もある。本実施の形態では、位置合わせマグネット４は非接触充電モジュール１内に設置されてなく、相手側である非接触充電モジュール１内に設置されている場合について説明しているが、位置合わせマグネット４が自分側にあっても同様に説明することができる。

次に、本発明の非接触充電モジュール１を備えた非接触電子機器（図示せず）について説明する。非接触電子機器は、送電用コイル及び磁性シートを備える充電器（送電用モジュール）と、受電用コイル及び磁性シートを備える本体機器（受電用モジュール）とから成るものであり、本体機器が携帯電話などの電子機器となっている。充電器側の回路は、整流平滑回路部と、電圧変換回路部と、発振回路部と、表示回路部と、制御回路部と、上記送電用コイルとで構成されている。また本体機器側の回路は、上記受電用コイルと、整流回路部と、制御回路部と、主として二次電池から成る負荷Ｌとで構成されている。

本実施の形態の非接触電子機器は、上記で説明した非接触充電モジュールを備えるため、非接触充電モジュールの用いる平面コイルを矩形にすることで位置合わせマグネットの磁界の影響を避け、非接触充電モジュールの電力伝送効率を向上させることにより非接触電子機器を小型化及び薄型化することができる。

次に、本発明の非接触充電モジュール１を備えた非接触電力伝送システム（図示せず）について説明する。

非接触電力伝送システムは、送電用コイル及び磁性シートを備える充電器（送電用モジュール）と、受電用コイル及び磁性シートを備える本体機器（受電用モジュール）及び本体機器側に電力を送電するための制御部から成るものであり、本体機器が携帯電話などの電子機器となっている。充電器側は、整流平滑回路部と、電圧変換回路部と、発振回路部と、表示回路部と、制御回路部と、上記送電用コイルとで構成されている。また本体機器側は、上記受電用コイルと、整流回路部と、主として二次電池から成る負荷Ｌとで構成されている。そして、充電器側と本体機器側との電力伝送を最適に行なう制御部で構成されている。この制御部は、本体機器側の充電状況をチェックする検出器と、その検出器の出力に応じて本体機器側への充電量を制御する制御回路部とで構成されている。

なお、制御部は充電器側と一体となっていてもよいし、または充電器側とは別にし、信号ケーブルなどで繋いでもよい。

この充電器から本体機器への電力伝送システムは、本発明の非接触充電モジュール１を使用して、１次側である充電器の送電用コイルと、２次側である本体機器の受電用コイルとの間の電磁誘導作用を利用して非接触で行われる。

本実施の形態の非接触電力伝送システムは、上記で説明した非接触充電モジュールを備えるため、非接触充電モジュールの用いる平面コイルを矩形にすることで位置合わせマグネットの磁界の影響を避け、非接触充電モジュールの電力伝送効率を向上させることにより平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させることにより、非接触電子機器を小型化及び薄型化することができる。

なお、本実施の形態の非接触電子機器及び非接触電力伝送システムでは、本発明の非接触充電モジュール１を充電用モジュールと受電用モジュールの両者に使用しているが、この限りではなく充電用モジュールまたは受電用モジュールの一方に使用してもよい。

（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について図７を用いて説明する。ここでは、第１の実施の形態と同一の構成、機能を備えた部材には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態と第１の実施の形態とで異なる点は、矩形の平面コイル部２ａの内側の寸法と位置合わせマグネット４の直径との関係についてである。以下、この異なる点について詳細に説明する。

図７は、本発明の第２の実施の形態における非接触充電モジュールと電力伝送を行う他方の非接触充電モジュールに備えられた位置合わせマグネットの位置関係を示す模式図であり、１次側非接触充電モジュールに１次側非接触充電モジュールと２次側非接触充電モジュールの位置合わせに利用する位置合わせマグネット４を有するものである。なお、図７（ａ）は２次側コイルが矩形コイルの場合を示し、図７（ｂ）は２次側コイルが円形コイルの場合を示す。

このとき、位置合わせマグネットと非接触充電モジュールとの関係については、１次側非接触充電モジュール（送電用モジュール）と２次側非接触充電モジュール（受電用モジュール）に設けられた位置合わせマグネットとの関係と、２次側非接触充電モジュールと１次側非接触充電モジュールに設けられた位置合わせマグネットとの関係との、双方の関係において当てはまる。

なお、１次側非接触充電モジュール（送電用モジュール）と２次側非接触充電モジュール（受電用モジュール）については、前述した第１の実施の形態にて非接触電力伝送システムの中で説明したものである。

したがって、２次側非接触充電モジュールと１次側非接触充電モジュールに設けられた位置合わせマグネットとの関係を例として説明するが、１次側非接触充電モジュールと２次側非接触充電モジュールに設けられた位置合わせマグネットとの関係にも適用される。すなわち、電力伝送の相手である他方の非接触充電モジュールに備えられた位置合わせマグネットの影響を抑え、他方の非接触充電モジュールに位置合わせマグネットが備えられる場合であっても、備えられない場合であっても、位置合わせ及び電力伝送が可能である非接触充電モジュールについて適用することができる。また、マグネットは本実施の形態では円形であるが、多角形、矩形、正方形など、どのような形であっても良い。

図７（ａ）に示す２次側の矩形の平面コイル部２ａ及び図７（ｂ）に示す２次側の円形の平面コイル部２ｂは、その中心が１次側非接触充電モジュールに設けられた位置合わせマグネット４の中心と合うように位置合わせされる。また、１次側非接触充電モジュールが位置合わせマグネット４を設けない場合であっても、２次側非接触充電モジュールが位置合わせマグネット４を備えることもある。

位置合わせマグネット４は、非接触充電モジュールを使用するに当たって規格提案されているもので、１次側と２次側との非接触充電モジュール間の電力伝送を確実にし、１次側と２次側の平面コイル２１（図１参照）の中心合わせを行なうために使用される。位置合わせマグネット４は直径ｍの円形状であり、規格（ＷＰＣ）によって、円形であること、直径ｍが１５．５ｍｍ以下であることなどが定められている。

磁性シート３は正方形である。なお、磁性シート３は正方形以外の多角形や矩形状、角に曲線（コーナー）であってもよいが、非接触充電モジュールの性能を確保しながら小型化するには正方形のほうが好ましい。

同じ巻線数の矩形の２次側の平面コイル部２ａまたは円形の２次側の平面コイル部２ｂを同じ大きさの磁性シート３上に設置した場合、両者とも同一の面積の磁性シート３内に納まることになる。このような場合には矩形の２次側の平面コイル部２ａは正方形のコイル形状となる。

すなわち、図７（ａ）及び（ｂ）に示す通り、同じ巻線数の矩形の２次側の平面コイル部２ａまたは円形の２次側の平面コイル部２ｂを正方形の磁性シート３上に設置した場合、矩形の２次側の平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離ｙ１と円形の平面コイル部２ｂの内径ｙ２を同じ長さにすることができる。

一方、矩形の２次側の平面コイル部２ａ内側の対角線長ｘは、直角三角形の３辺の長さの関係より平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離ｙ１より長い。したがって、矩形の２次側の平面コイル部２ａ内側の対角線長ｘは、矩形の平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離ｙ１と同じ長さである円形の平面コイル部２ｂの内径ｙ２より長い。すなわち、矩形の２次側の平面コイル部２ａでは、円形の２次側の平面コイル部２ｂに比べて位置合わせマグネット４と２次側コイル２ａとの間隔を大きく取れる領域が多くなる。すなわち、ｙ１＝ｙ２、ｘ＞ｙ１、ｘ＞ｙ２の関係である。

そして、１次側非接触充電モジュールまたは２次側非接触充電モジュールに備える位置合わせマグネット４の影響を抑えるためには、矩形のコイルではｘ≧ｍ、好ましくはｙ１≧ｍとなる必要がある。

すなわち、矩形の平面コイル部２ａの内側の中空部は位置合わせマグネット４の大きさより大きく、矩形の平面コイル部２ａの内側の中空部と位置合わせマグネット４が重なり合う領域は無い。こうすることで、もし位置合わせマグネット４が円形でなく矩形になった場合も本実施の形態を採用することで効果を発揮することができる。

２次側の平面コイル部２ａまたは２ｂと位置合わせマグネット４との間隔が大きくなる（平面コイル部の内側と位置合わせマグネットの外縁との間にできる隙間が大きくなる）と、位置合わせマグネット４の影響が小さくなるため、平面コイル部２ａまたは２ｂのＬ値減少率を小さくできる。平面コイル部が矩形の場合、平面コイル部２ａの内側の対角線寸法ｘが円形の平面コイル部２ｂの内径寸法ｙ２と同じ値のとき、矩形の平面コイル部２ａのＬ値減少率が円形の平面コイル部２ｂと略同じ値になる。

このことについて図４を用いて説明する。図４に示すように、矩形の平面コイル部２ａの角コイル対角線寸法と円形の平面コイル部２ｂの丸コイル内径とが同じ場合には両者の平面コイル部のＬ値減少率は略同じ値になり、非接触充電モジュールの電力伝送の能力は同等である。

したがって、図７において同じ巻線数の矩形の２次側の平面コイル部２ａまたは円形の２次側の平面コイル部２ｂを同じ大きさの磁性シート３上に設置した場合には上述したように矩形の２次側の平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離ｙ１と円形の平面コイル部２ｂの内径ｙ２とを同じ寸法にできるのでｙ１＝ｙ２≧ｍを満足させることができる。

そうすると、ｘ＞ｙ１≧ｍとなり、矩形の平面コイル部２ａのほうが丸形の平面コイル部２ｂより両者の平面コイル部が同じスペースを占有していてもＬ値減少率は小さくなり、矩形の平面コイル部２ａを使用した非接触充電モジュールの電力伝送の能力を向上させることができる。

規格によって位置合わせマグネット４の直径は１５．５ｍｍ以下と規定されているが、矩形の平面コイル部２ａの角コイル対角線寸法と円形の平面コイル部２ｂの丸コイル内径が１５．５ｍｍ以上では対角寸法あるいは内径が大きくなるほどＬ値減少率がかなり小さくなっていく。すなわち、位置合わせマグネット４の影響を受けにくくなっていることを示している。

一方、もし位置合わせマグネット４の直径が１５．５ｍｍ以下の場合には各平面コイルの寸法が変わらない場合には相対的に平面コイル部の内側と位置合わせマグネットの外縁との間にできる隙間がさらに大きくなるのでＬ値減少率がさらに小さくなり、位置合わせマグネット４の影響を受けにくくなる。そのために非接触充電モジュールの電力伝送の能力は向上することになる。または、非接触充電モジュールの電力伝送の能力はそのままにして平面コイル部の寸法を小さくすることも可能である。

そのため、非接触充電器の１次側非接触充電モジュールを収納するスペースが方形状で、しかもそのスペースが限られている場合には、磁性シート３を方形状として２次側の平面コイル部２ａを矩形状に形成することが好ましい。これにより、円形コイルと比較して、矩形の２次側の平面コイル部２ａを位置合わせマグネット４から遠ざけることができ、矩形の２次側の平面コイル部２ａは位置合わせマグネット４からの影響を受けにくい。また、矩形の２次側の平面コイル部２ａは、磁束がコーナー部に集中するが、そのコーナー部と位置合わせマグネット４との距離を大きく確保できるため、位置合わせマグネット４の影響を軽減できる。

すなわち、２次側の平面コイルが円形に巻回される場合は、２次側の平面コイル部２ｂ全体がほぼ同じ磁界の強さを示す。しかし、２次側の平面コイルが略矩形に巻回される場合は、その角部（コーナー）において磁界が集中する。したがって、矩形の平面コイル部２ａの内側の対角線寸法ｘが位置合わせマグネット４の外径よりも外側に位置すること（ｘ≧ｍ）で、位置合わせマグネット４の影響を抑えて電力送信することができる。また、矩形の平面コイル部２ａの対向する内辺間の最短距離ｙ１が位置合わせマグネット４の外径よりも外側に位置すること（ｙ１≧ｍ）で、矩形の平面コイル部２ａ全体が位置合わせマグネット４の外径よりも外側に位置し、さらに矩形の平面コイル部２ａの角部（コーナー）が位置合わせマグネット４から一定距離を開けて位置することとなる。したがって、より位置合わせマグネット４が矩形の平面コイル部２ａに与える影響を低減させることができる。

また、平面コイル部を上述したような構成にすると、非接触充電モジュールが位置合わせマグネット４が取り付けられて使用される場合でもあるいは位置合わせマグネット４が無く使用される場合でも、平面コイルの大きさを変更せずに電力伝送の能力をダウンさせずにそのまま使用することができる。すなわち、位置合わせマグネット４の有無に関係無く、平面コイル部を設けた非接触充電モジュールをそのまま大きさで使用することができる。

なお、本実施の形態では、前述した関係を満足するように矩形の平面コイル部２ａの対角線寸法（ｘ）をおよそ２３ｍｍにし、位置合わせマグネット４の径（ｍ）を１５．５ｍｍΦに設定した。位置合わせマグネット４は一般的に、１５．５ｍｍを最大の直径とし、それよりも小さく構成される。小型化と、位置合わせの精度を鑑みた場合に、位置合わせマグネット４の直径が約１０ｍｍ〜１５．５ｍｍであり、厚みは約１．５〜２ｍｍとなることでバランスよく位置合わせをすることができるからである。また、ネオジウム磁石を使用しており、強さは約７５ｍＴから１５０ｍＴ程度でよい。本実施の形態においては、１次側非接触充電モジュールのコイルと２次側非接触充電モジュールのコイルとの間隔が２〜５ｍｍ程度であるので、この程度のマグネットで十分位置合わせが可能となる。したがって、２次側平面コイル部が円形状に巻回されていれば、中空部の直径を１５．５ｍｍ以上、矩形に巻回していれば中空部の対角線を１５．５ｍｍ以上、好ましくは中空部の辺幅を１５．５ｍｍ以上とすることで、基本的に、相手側に備えられた位置合わせマグネット４の大きさに関わらずマグネットの影響を低減することができる。

また、図４は位置合わせマグネット４の直径が１５．５ｍｍφに設定した場合のコイルのＬ値減少率を示しているので、円形コイルの内径と矩形コイルの中空部の辺幅を１５．５ｍｍ場合（両者のコイルサイズの大きさは同じとみなすことができる）には、円形コイルのＬ値減少率はおよそ７０％であるが、一方矩形コイルのほうは対角線距離がおよそ２２ｍｍとなり、そのＬ値減少率はおよそ５０％になる。

なお、図４の矩形コイル（角コイルとも呼ぶ）の対角線寸法のデータは最小でおよそ１９ｍｍである。この対角線寸法が１９ｍｍのとき、矩形コイルの内側の中空部の対向する辺どうしの距離はおよそ１３．５ｍｍ程度である。したがって、図４では、矩形コイルの対角線寸法が１９ｍｍのとき、直径１５．５ｍｍの位置合わせマグネットと矩形コイルの内側の中空部が幾分被っている。すなわち、矩形の平面コイル部２ａの内側の中空部が位置合わせマグネットの大きさよりも大きいとＬ値減少率を小さくすることができる。

上述したように、矩形コイルの方が円形コイルよりもマグネットの影響を受けにくいが、１次側コイルと２次側コイルの両方が矩形コイルであると、充電時の位置合わせの際にお互いのコーナーどうしの位置合わせをしなくてはならなくなる。従って、位置合わせの際の角度合わせが難しいため、一方が円形コイル、他方が矩形コイルであると良い。すなわち、角度調整も必要なく、さらに矩形コイルがマグネットの影響を抑えることができるためである。なお、１次側非接触充電モジュール及び２次側非接触充電モジュールのいずれが矩形コイルを備え、いずれが円形コイルを備えても構わないが、円形コイルは電力伝送の相手となるコイルの形状によらず効率的な電力伝送が可能であるため、１次側非接触充電モジュールに円形コイルを備えると良い。

なお、円形コイルに比較して、矩形コイルとは、中空部四隅の角のＲ（四隅の曲線の半径）が中空部の辺幅（図７（ａ）のｙ１）の３０％以下のものをいう。すなわち、図７（ａ）において、略矩形の中空部は四隅が曲線状となっている。直角であるよりも、多少でも曲線であることで、四隅における導線の強度を向上させることができる。しかしながら、Ｒが大きくなりすぎると円形コイルとほとんど変化なく、矩形コイルならではの効果を得ることができなくなる。検討の結果、中空部の辺幅ｙ１が例えば２０ｍｍであった場合、各四隅の曲線の半径Ｒが６ｍｍ以下であれば、マグネットの影響をより効果的に抑えることができることがわかった。また、前述したように四隅の強度まで考慮すると、各四隅の曲線の半径Ｒが略矩形の中空部の辺幅の５〜３０％であることによって、前述したもっとも矩形コイルの効果を得ることができる。

以上のように、本願発明では、平面コイル部の内側の中空部が、マグネットの大きさよりも大きいことを特徴とする非接触充電モジュールとした。このとき、平面コイル部の内側の中空部が、マグネットの大きさよりも大きいとは、送信側非接触充電モジュール及び受信側非接触充電モジュールが位置合わせした際に、例えば送信側非接触充電モジュール（他方の非接触充電モジュール）に備えられたマグネットが、受信側非接触充電モジュールの平面コイル部の中空部と重ならないことをいう。すなわち、送信側非接触充電モジュール及び受信側非接触充電モジュールを上からみて、送信側非接触充電モジュールに備えられたマグネットが、受信側非接触充電モジュールの中空部からコイル面へとはみ出さず、中空部内におさまることをいう。

本発明の非接触充電モジュール及びそれを用いた非接触充電機器によれば、位置決め用の磁石があっても非接触モジュールを小型化することができるために、携帯電話、携帯用コンピュータなどの携帯端末、ビデオカメラなどの携帯機器などの様々な電子機器の非接触充電モジュールとして有用である。

１ 非接触充電モジュール
２ 平面コイル部
２ａ 平面コイル部（矩形）
２ｂ 平面コイル部（円形）
２１ コイル
３ 磁性シート
３１ 平坦部
３２ 凸部
３３ 凹部
４ マグネット

Claims (3)

1. 他方の非接触充電モジュールと電磁誘導によって電力伝送を行なう非接触充電モジュールであって、前記他方の非接触充電モジュールとの位置合わせに際し、前記他方の非接触充電モジュールの相手側平面コイル部の中空部に備えられた円形マグネットを利用して位置合わせを行なう場合、及び円形マグネットを利用しないで位置合わせを行なう場合と、があり、かつ自らは位置合わせ用マグネットを有さない非接触充電モジュールにおいて、導線が略矩形状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイル面を載置し、前記平面コイル部のコイル面に対向するように設けられた磁性シートと、を備え、前記平面コイル部の略矩形状である中空部における対向する内辺間の最短距離の長さが、前記円形マグネットの径よりも長いことを特徴とする非接触充電モジュール。
2. 前記磁性シートの形状は略矩形であり、前記磁性シートにその端部に向かって垂直に延びる凹部またはスリットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュール。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の非接触充電モジュールを、送電用モジュールまたは受電用モジュールの少なくともいずれかひとつに用いたことを特徴とする非接触充電機器。