JP6094016B2 - 無接点給電機構および無接点給電機構用二次コイル - Google Patents

Description

本発明は、無接点給電機構、特に、電磁誘導を用いた無接点給電機構およびそれに用いられる二次コイルに関する。

従来、携帯電話をはじめとする携帯機器等のコードレス電気機器は、充電池を内蔵しており、クレードルやＡＣアダプタ等の充電機器を用いて充電を行っていた。このような充電方式では、電気機器側の接点と充電機器側の接点とを接触させ、電気的に導通させることによって給電および充電が行われている。

近年、このような接点どうしを接触させることなく給電を行う無接点給電（無接触給電）方式が採用されつつある。無接点給電方式では、外部に露出する接点がないため、接点の接触不良が生じるおそれがなく、また、防水が容易になる等の利点がある。

現在、無接点給電には、電磁誘導方式，電波方式，電磁界共鳴方式が用いられている。電磁誘導方式では、電気機器側に二次コイルを備え、給電機器側に一次コイルを備えている。給電機器から電気機器に給電する際には、一次コイルと二次コイルとが対向するように、給電機器と電気機器とを配置する。そして、一次コイルに電流を供給し、一次コイルに磁束を発生させる。この磁束によって二次コイルに電磁誘導による起電力が生じる。これにより、電気機器は電力供給を受けることができる。

従来の電磁誘導方式の無接点給電機構は、特許文献１に示されているような一次コイルおよび二次コイルを渦巻き状の平面コイルとして形成し、給電時にはこれらを対向配置している。

また、特許文献２，３では、二次コイルを棒状（円弧状）に形成し、二次コイルの両端部を一次コイルの端部で挟み込む構成となっている。

特開２０１２−１９９５０５号公報 特開平９−２３８４２８号公報 特開２００５−１３７１７３号公報

しかしながら、特許文献１のような平面コイルを用いた場合、コイルの位置ずれにより給電効率が低下する問題があった。また、特許文献２，３のような構成のコイルを用いた場合であっても、二次コイルに作用する磁束は強くなるが、一次コイルに対する二次コイルの位置ずれや回転が生じた場合には給電効率は低下するおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、給電効率が高い無接点給電機構を提供することにある。

本発明の無接点給電機構の好適な実施形態の一つでは、電気機器に電力を供給する受電装置と、前記受電装置に電力を供給する給電装置と、を備え、前記給電装置は、一次コイルを備え、前記受電装置は、二次コイルを備え、前記一次コイルは、磁性材料からなる一次コアと、導電性材料からなり、前記一次コアに巻かれた巻線と、を備え、前記二次コイルは、磁性材料からなる棒状の二次コアと、導電性材料からなり、前記二次コアに巻かれた巻線と、前記二次コアの少なくとも一方の端面に取付けられた磁性シートと、を備え、前記磁性シートは、前記二次コアの前記端面に密接する密接部と、前記密接部から前記二次コアの径外方向に延び、少なくとも部分的に前記二次コアの軸心方向に平行でない法線を有する屈曲部と、を備えている。

この構成では、二次コアの端面に、密接部と屈曲部とからなる磁性シートが設けられている。そのため、二次コアの軸心方向が、一次コイルが発生する磁束方向に対して回転したとしても、従来の二次コイルを用いた場合には利用できない磁束も磁性シートの屈曲部に入射し、密接部を介して二次コアに流入する。そのため、二次コアの軸心方向が、一次コイルが発生する磁束方向に対して回転しても、給電効率が低下するのを抑制することができる。これにより、一次コイルに対する二次コイルの配置の自由度を高めることもできる。

本発明の無接点給電機構の好適な実施形態の一つでは、前記一次コアは、互いの軸心が平行となり、互いの間に空間が形成されるよう構成された一対の対向部を備え、前記二次コイルは、給電状態において、前記一対の対向部の間に配置され、前記磁性シートは、前記二次コアの両端面に設けられている。

この構成によれば、二次コイルに作用する磁束を高めるとともに、二次コアの軸心方向の、一次コイルが発生する磁束方法に対する回転による、給電効率の低下を抑制することができる。

屈曲部の形状は様々に変更可能であるが、側断面形状が円弧状とすると、どのような回転角であっても、磁束が直交入射する部分があるため、好ましい。さらに、屈曲部を球面状とすれば、様々な回転角に対して、給電効率の低下を抑制することができる。

本発明の無接点給電機構用二次コイルの好適な実施形態では、給電装置に設けられた一次コイルからの磁束を受けて起電力を発生させる無接点給電機構用二次コイルであって、磁性材料からなる棒状の二次コアと、導電性材料からなり、前記二次コアに巻かれた巻線と、前記二次コアの少なくとも一方の端面に取付けられた磁性シートと、を備え、前記磁性シートは、前記二次コアの前記端面に密接する密接部と、前記密接部から前記二次コアの径外方向に延び、少なくとも部分的に前記二次コアの軸心方向に平行でない法線を有する屈曲部と、を備えている。このような二次コイルも、上述の無接点給電機構の付加的な特徴構成を適用することができ、同様の作用効果を奏する。

無接点給電機構の概略図である。 一次コイルの対向部の拡大図である。 受電装置の概略図である。 一次コイルに対する二次コイルの位置ずれ（回転）の影響を説明する図である。 一次コイルに対する二次コイルの位置ずれ（回転）の影響を説明する図である。 一次コイルに対する二次コイルの位置ずれ（回転）の影響を説明する図である。 別実施形態における二次コイルに対する磁性シートの配置を表す図である。 別実施形態における二次コイルに対する磁性シートの配置を表す図である。

以下に図面を用いて、本実施形態における無接点給電機構を説明する。図１は、本実施形態における無接点給電機構の概略図である。図に示すように、無接点給電機構は、電気機器（図示せず）に電力を供給する受電装置Ｂと、受電装置Ｂに電力を供給する給電装置Ａと、から構成されている。給電装置Ａは、電磁誘導により、受電装置Ｂに電力を供給する。給電装置Ａは、例えば、商用電力に接続された充電器等の電力供給機器に内蔵される。一方、受電装置Ｂは、携帯電話，携帯端末，電動歯ブラシ等の電気機器に内蔵される。

〔給電装置〕
給電装置Ａは、一次コイル１と、商用電源等からの電力によって一次コイル１を駆動する給電回路２と、を備えている。また、一次コイル１は、フェライト等の磁性材料からなる一次コア１１と、導電性材料からなり、一次コア１１に巻かれた巻線１２と、を備えている。給電回路２の構成は周知であるため、説明は省略する。

本実施形態における一次コア１１は、基部１１ａと、一対の延出部１１ｂと、一対の対向部１１ｃと、を備えている。一対の延出部１１ｂは、基部１１ａの両端部のそれぞれから延出している。また、対向部１１ｃは、それぞれの延出部１１ｂの端部から互いに略対向するように延出している。一対の対向部１１ｃの端面１１ｄの間には空間Ｓが形成されている。本実施例では、一対の端面１１ｄは互いに平行かつ対向するように構成されている。

図に示すように、本実施形態では、基部１１ａ，延出部１１ｂ，対向部１１ｃはいずれも円弧状であり、互いに滑らかに接続されている。このような一次コア１１は、トロイダルコアの一部を切断することにより製造することができる。なお、一対の端面１１ｄどうしを平行かつ対向させるためには、切断中心の前後が均等となり、切断面が平行となるように、切断すればよい。このように、トロイダルコアの一部を切断することにより一次コア１１を形成すれば、安価に一次コア１１を製造することができる。

上述したように、一対の対向部１１ｃは互いに対向するように構成されているが、より具体的には、互いの軸心が平行となるように構成されている。なお、ここでの平行とは、厳密な平行だけではなく、互いの軸心が微小角度δで交差する場合も含まれている。

図２は、一次コア１１の対向部１１ｃ付近の拡大図である。上述したように、本実施例における対向部１１ｃは円弧状であるため、軸心も円弧状となる。しかし、対向部１１ｃを微小領域に分割し、各微小領域における軸心方向は各微小領域における接線方向で近似することができる。例えば、端面１１ｄにおける軸心方向は、端面１１ｄにおける対向部１１ｃの接線方向となる。図２では、端面１１ｄの接線方向を対向部１１ｃの軸心方向として表している。図に示すように、本実施例の一次コア１１では、一対の対向部１１ｃのそれぞれの軸心ｘ１，ｘ２は微小角度δで交差している。このような場合であって、一対の対向部１１ｃの軸心は平行であるとみなす。

〔受電装置〕
図３に示すように、受電装置Ｂは、一次コイル１によって発生された磁束に基づいて起電力を生じさせる二次コイル３備えている。二次コイル３は受電回路（図示せず）に接続され、二次コイル３の起電力は受電回路によって電力に変換される。

二次コイル３は、フェライト等の磁性材料からなる二次コア３１と、導電性材料からなり、二次コア３１に巻かれた巻線３２と、を備えている。

二次コア３１の端面３１ａには磁性シート４が備えられている。図に示すように、磁性シート４は二次コア３１の端面３１ａに密接する密接部４１と、密接部４１から二次コア３１の径外方向に延設された屈曲部４２と、を備えている。なお、本発明における密接とは、完全に密着配置された状態だけでなく、若干の隙間（例えば、０．５ｍｍ以下）を有するように配置される状態をも含んでいる。また、図に示すように、本実施形態では、屈曲部４２の側断面形状は円弧状となっている。

無接点給電機構において、給電効率を高めるためには二次コア３１を貫通する磁束を増大させる必要がある。そのため、従来の磁性シート４を備えない二次コイル３や、密接部４１のみを有する磁性シート４を備えた二次コイル３を用いた場合には、二次コア３１の軸心方向と一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向（磁束方向）とが平行の場合に給電効率が最大となり、これらの関係が平行でなくなると、急激に給電効率が低下する。すなわち、二次コア３１の軸心方向が、一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対して回転すると、給電効率が急激に低下する。なお、以下の説明での回転角とは、二次コア３１の軸心方向の、一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対する回転角を意味し、回転角が０°とは、二次コア３１の軸心方向と一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向とが平行の状態を意味する。

一方、本発明の無接点給電機構では、図４に示すように、従来の二次コイルと同様に、二次コイル３の二次コア３１の軸心方向と、一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向とが平行の場合に、給電効率を最大とすることができる。さらに、図５，６に示すように、二次コイル３の二次コア３１に軸心方向が、一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対して回転しても、磁束が磁性シート４の屈曲部４２に入射する。屈曲部４２に入射した磁束は、屈曲部４２から密接部４１、二次コア３１へと流れ、他方の二次コア３１に密接している磁性シート４へと流れる。なお、磁性シート４が効率的に磁束を受けるためには、磁束が磁性シート４に対して直交入射することが望ましいが、本実施形態の屈曲部４２は側断面形状が円弧状となっているため、少なくとも、部分的には磁束は磁性シート４に対して直交入射する。したがって、本実施形態の磁性シート４を用いることによって、二次コア３１の軸心方向が一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対して回転しても、給電効率の低下を抑制することができる。

なお、給電効率の低下を抑制できる回転角の範囲は、屈曲部４２の中心角の大きさに依存する。例えば、屈曲部４２の中心角が９０°であれば、二次コア３１の軸心方向が、一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対して、０°から９０°の範囲で回転しても、従来の二次コイルのような顕著な給電効率の低下は生じない。

このように、本発明では、密接部４１と屈曲部４２とから構成される磁性シート４を二次コイル３の二次コア３１の端面３１ａに密接したことにより、給電効率の低下を抑制しつつ、一次コイル１に対する二次コイル３の配置の自由度を高めることができる。

図７，８に他の構成の磁性シート４を備えた二次コイル３を示す。図７，８の磁性シート４は、密接部４１および屈曲部４２はともに平面から構成されているが、密接部４１の法線と屈曲部４２の法線とは平行となっていない。すなわち、屈曲部４２は密接部４１に対して屈曲形成されている。なお、密接部４１と屈曲部４２とのなす角を屈曲角と称する。すなわち、図７の磁性シート４の屈曲角は鈍角であり、図８の磁性シート４の屈曲角は直角である。

これらのような構成の磁性シート４を用いた場合には、給電効率は、回転角＝１８０°−屈曲角のときに最大となり、回転角が１８０°−屈曲角から変位するに伴って低下する。しかしながら、二次コア３１の軸心方向が一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対して回転した際の給電効率は、従来の二次コイル３を用いた場合よりも、このような構成の磁性シート４を用いた二次コイル３の方が高くなる。すなわち、これらのような構成の磁性シート４を備えた二次コイル３を用いれば、二次コア３１の軸心方向が一次コア１１の対向部１１ｃの軸心方向に対して回転しても、従来の二次コイル３に比べて、給電効率の低下を抑制することができる。

〔別実施形態〕
上述の実施形態では、一次コア１１が一対の対向部１１ｃを有し、それらの間に形成される空間に二次コイル３が配置される構成であったが、一次コア１１を二次コア３１と同様に棒状に形成し、一次コイル１と二次コイル３とを対向配置する構成であっても構わない。このとき、二次コア３１の少なくとも一方の端面３１ａに磁性シート４を設ければ、上述の作用効果を奏することができる。

本発明は、携帯電話，携帯端末，電動歯ブラシ，無線ヘッドセット等の小型電気機器の無接点給電機構に利用することができる。

Ａ：給電装置
Ｂ：受電装置
１：一次コイル
１１：一次コア
１１ｃ：対向部
１２：巻線
３：二次コイル
３１：二次コア
３１ａ：端面
３２：巻線
４：磁性シート
４１：密接部
４２：屈曲部

Claims (4)

1. 電気機器に電力を供給する受電装置と、
   前記受電装置に電力を供給する給電装置と、を備え、
   前記給電装置は、一次コイルを備え、
   前記受電装置は、二次コイルを備え、
   前記一次コイルは、
   磁性材料からなる一次コアと、
   導電性材料からなり、前記一次コアに巻かれた巻線と、を備え、
   前記二次コイルは、
   磁性材料からなる棒状の二次コアと、
   導電性材料からなり、前記二次コアに巻かれた巻線と、
   前記二次コアの少なくとも一方の端面に取付けられた磁性シートと、を備え、
   前記磁性シートは、
   前記二次コアの前記端面に密接する密接部と、
   前記密接部から前記二次コアの径外方向に延び、少なくとも部分的に前記二次コアの軸心方向に平行でない法線を有する屈曲部と、を備えた無接点給電機構。
2. 前記一次コアは、互いの軸心が平行となり、互いの間に空間が形成されるよう構成された一対の対向部を備え、
   前記二次コイルは、給電状態において、前記一対の対向部の間に配置され、
   前記磁性シートは、前記二次コアの両端面に設けられている請求項１記載の無接点給電機構。
3. 前記屈曲部は側断面形状が円弧状である請求項１または２記載の無接点給電機構。
4. 給電装置に設けられた一次コイルからの磁束を受けて起電力を発生させる無接点給電機構用二次コイルであって、
   磁性材料からなる棒状の二次コアと、
   導電性材料からなり、前記二次コアに巻かれた巻線と、
   前記二次コアの少なくとも一方の端面に取付けられた磁性シートと、を備え、
   前記磁性シートは、
   前記二次コアの前記端面に密接する密接部と、
   前記密接部から前記二次コアの径外方向に延び、少なくとも部分的に前記二次コアの軸心方向に平行でない法線を有する屈曲部と、を備えた無接点給電機構用二次コイル。

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