JPH07106170A

JPH07106170A - 非接触型充電器用トランス

Info

Publication number: JPH07106170A
Application number: JP5265587A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takahashi; 実高橋; Takashi Urano; 高志浦野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】一次、二次コイル間に充電部及び被充電部の
ハウジングが介在する場合でも一次、二次コイル間の結
合度を向上させ、電力伝送の効率化を図った非接触型充
電器用トランスを得る。【構成】充電部側ハウジング４１に設けられていて、
円筒状磁芯５３の外周に当該外周とほぼ同じ幅で巻線し
てなる一次コイルＴ１と、前記充電部側ハウジング４１
に対して着脱自在な被充電部側ハウジング４３に設けら
れていて、結合時に前記一次コイルＴ１の外側を前記円
筒状磁芯５３と同心となるように周回する巻線５７を有
する二次コイルＴ２とを備えた構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コードレス電話機、電
動歯ブラシ、電動ひげそり等の電源として利用される二
次電池（充電式電池）を非接触で充電する非接触型充電
器に使用する非接触型充電器用トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電池を電源とする機器は多く、携
帯型の機器が増加する中で、ニッケル−カドミウム（Ｎ
ｉ−Ｃｄ）電池等の繰り返し充電の行える二次電池が用
いられおり、コードレス電話機、電動歯ブラシ、電動ひ
げそり、ラップトップ、ノート、パームトップ型パソコ
ン等がその用途の代表である。そして、その二次電池を
充電するのに一般に接触型充電器が用いられていた。

【０００３】しかし、上記接触型充電器は、商用電源に
接続される充電部（例えばコードレス電話機の親機等）
と二次電池を内蔵した被充電部（例えばコードレス電話
機の子機）とを接続するための接触子が外部に露出して
いるため、該接触子が錆びたり、表面酸化や腐食が発生
して接触不良となる恐れがある。

【０００４】このため、商用電源に接続される充電部か
ら二次電池を内蔵した被充電部へ電気的に非接触で電力
を伝送する非接触型充電器が要望されるようになってき
ている。このような非接触型充電器の動作原理は、充電
部に設けられる一次コイルと被充電部に設けられる二次
コイルとからなるトランスを用い、一次、二次コイル間
の電磁誘導により電力を伝送するものである。また、ト
ランスの小型化のための通常数１０ｋＨｚ以上の高周波
が使用される。

【０００５】図７は上記用途に使用される非接触型充電
器用トランスの従来例を示す。この図において、充電部
側ハウジング１は非磁性材（樹脂）であって円筒状凸部
２を有し、前記充電部側ハウジング１に対して着脱自在
な被充電部側ハウジング３は非磁性材（樹脂）であって
前記円筒状凸部２の外側に嵌合する円筒状凹部４を有し
ている。そして、非接触型充電器用トランス１０は、巻
線１１を巻回したボビン１２をフェライト等の円柱状磁
芯１３に嵌挿した構造を持っていて前記円筒状凸部２の
円筒部分内側に配置された一次コイル１４と、前記円筒
状凹部４の円筒部分外周を周回するように巻回された巻
線を有する空芯の二次コイル１５とからなっている。非
接触型充電器を構成する場合、前記一次コイル１４は商
用電源で作動する高周波電源で励磁され、前記二次コイ
ル１５には二次電池を充電するための直流電圧を作成す
るための整流平滑回路が接続される。

【０００６】図８は非接触型充電器用トランスの他の従
来例を示す。この図において、充電部側ハウジング２１
は非磁性材（樹脂）であって比較的小径の円筒状凸部２
２を有し、被充電部側ハウジング２３は非磁性材（樹
脂）であって前記円筒状凸部２２の外側に嵌まる円筒状
凹部２４を有している。この場合、非接触型充電器用ト
ランス３０は、前記比較的小径の円筒状凸部２２の内側
に嵌まり込むフェライト等の円柱状磁芯３３中間部に対
して巻線３１を巻回したボビン３２を嵌挿した構造を持
っている一次コイル３４と、前記円筒状凹部２４の円筒
部分外周に配設されるボビン３６に巻線３７を巻回して
なる空芯の二次コイル３５とからなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、非接触型充
電器用トランスに要望されることは、充電部ハウジング
に被充電部ハウジングを図７や図８の如く結合した充電
状態において、一次コイルで発生した電磁エネルギーが
二次コイルに効率良く伝送されることであり、このため
には一次コイルと二次コイル間の結合係数（結合度）が
重要となる。

【０００８】しかし、図７の従来例の場合、一次コイル
１４が円柱状磁芯１３を用いており、一次コイル１４に
よる磁束は円柱状磁芯１３の中心部を主に通過すること
になる。また、一次コイル１４は円柱状磁芯１３の外周
全部に巻線１１が巻かれた構造であり、円柱状磁芯１３
と空芯の二次コイル１５との距離が大きいため、一次コ
イル１４で発生される磁束のうち空芯の二次コイル１５
と鎖交するものを多くできない嫌いがある。すなわち、
一次、二次コイル間の結合係数を大きくできない。とく
に、非接触型充電器用トランスでは、充電部及び被充電
部のハウジングが一次、二次コイル間に介在することに
なるため、両コイル間の結合度が大きく低下していき、
電力伝送の効率が悪化する。

【０００９】図８の他の従来例では、円柱状磁芯３３の
長さを延ばし、二次コイル３５のボビン３６よりも長く
することにより、一次コイル３４と二次コイル３５とを
共通の磁芯にして結合度を上げる工夫をしている。この
場合でも、充電部側ハウジング２１や被充電部側ハウジ
ング２３の厚みを確保した場合には結合係数ｋ＝０．３
７程度が上限であった。

【００１０】なお、その他の従来技術として、実開平２
−４１４０８号のロータリートランスがあり、該ロータ
リートランスは円筒状固定側コアの外周面のコイル巻回
溝に第１の巻線を施し、前記円筒状固定側コアの外周面
に対向する内周面を有する円筒状可動側コアの内周面の
コイル巻回溝に第２の巻線を施したものである。但し、
このロータリートランスでは、固定側コアと可動側コア
との間隙は僅かであり、実質的に閉磁路コアとして考え
ることができるものであり、本発明が対象とする非接触
型充電器用トランスのように一次、二次コイル間の距離
が大きくなる使用条件とは異なるものである。

【００１１】本発明は、上記の点に鑑み、一次コイルの
構造、とくにその磁芯構造を工夫することによって、一
次、二次コイル間に充電部及び被充電部のハウジングが
介在する場合でも一次、二次コイル間の結合度を向上さ
せ、一次、二次コイル間の電力伝送の効率化を図り得る
非接触型充電器用トランスを提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の非接触型充電器用トランスは、充電部側ハ
ウジングに設けられていて、円筒状磁芯の外周に当該外
周とほぼ同じ幅で巻線してなる一次コイルと、前記充電
部側ハウジングに対して着脱自在な被充電部側ハウジン
グに設けられていて、結合時に前記一次コイルの外側を
前記円筒状磁芯と同心となるように周回する巻線を有す
る二次コイルとを備えた構成となっている。

【００１３】

【作用】本発明の非接触型充電器用トランスにおいて
は、一次コイルを円筒状磁芯外周に巻線を巻回したもの
を使用しているので、円柱状磁芯を用いたものに比べて
一次コイルによる磁束が一次コイルの外側に出やすくな
り（磁芯中心部に磁束が集中することがなく）、一次コ
イルの外側を周回する二次コイルと鎖交する磁束量が増
加する。この結果、一次、二次コイル間の結合度を向上
させ、一次、二次コイル間の電力伝送を効率的に行うこ
とができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係る非接触型充電器用トラン
スの実施例を図面に従って説明する。

【００１５】図１は本発明に係る非接触型充電器用トラ
ンスの実施例を示し、図２及び図３は非接触型充電器用
トランスを用いた非接触型充電器（例えばコードレス電
話機用）を示す。これらの図において、充電部側ハウジ
ング（ケース）４１は樹脂等の非磁性材であってやや大
径の円筒状凸部４２を有し、前記充電部側ハウジング４
１に対して着脱自在な被充電部側ハウジング（ケース）
４３は樹脂等の非磁性材であって前記円筒状凸部４２の
外側に嵌合する（緩く嵌まり合う場合も含む）円筒状凹
部４４を有している。

【００１６】非接触型充電器用トランス５０は、充電部
側ハウジング４１に固定される一次コイルＴ１と、被充
電部側ハウジング４３に固定される二次コイルＴ２とか
らなっており、一次コイルＴ１は、巻線５１（Ｎ_P，
Ｎ_B）を巻回した鍔付き円筒状ボビン５２の内周側にフ
ェライト等の円筒状磁芯５３を嵌め込み固着した構造を
持っていて前記円筒状凸部４２の円筒部分内側に配置、
固定されている。ここで、円筒状磁芯５３の外周面の幅
と巻線５１の巻幅とはほぼ同じである（実際上はボビン
の鍔の厚み分だけ巻線５１の幅は僅かに小さくなる場合
が多いが実質的に同じと考えて差し支えない。）。ま
た、二次コイルＴ２は、鍔付き円筒状ボビン５６に巻線
５７（Ｎ_S）を巻回してなる空芯コイルであり、前記円
筒状凹部４４の円筒部分外周に嵌め込み固定されてい
る。ここで、一次コイルＴ１と二次コイルＴ２との位置
関係は、図１の充電部側と被充電部側ハウジングの結合
時において一次コイルＴ１の外側を、前記円筒状磁芯５
３と同心となるように二次コイルＴ２の巻線５７が周回
するように設定する。

【００１７】上記の非接触型充電器用トランス５０を用
いて非接触型充電器を構成する場合、図２及び図３に示
すように、充電部側ハウジング４１内に一次コイルＴ１
に高周波（数１０ｋＨｚ乃至数１００ｋＨｚ）の磁束を
発生させるためのコンバータの一次側回路６０Ａを搭載
した回路基板６１が配設され、被充電部側ハウジング４
３内に二次コイルＴ２の誘起電圧を整流、平滑して二次
電池Ｂを充電するための整流平滑回路を含むコンバータ
の二次側回路６０Ｂ及び二次電池Ｂが収納されている。

【００１８】図３に図１の非接触型充電器用トランスを
用いた非接触型充電器を構成するコンバータの回路構成
を示す。このコンバータは、いわゆるリンギングチョー
クコンバータと呼ばれる自励式フライバックコンバータ
である。充電部側ハウジング４１内に収納されるコンバ
ータの一次側回路６０Ａは、商用電源（ＡＣ１００Ｖ、
５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）を整流平滑する一次側整流平滑回
路をなす整流器Ｄ１及び平滑用コンデンサＣ１と、一次
コイルＴ１の主巻線Ｎ_Pに対し直列に挿入されて前記平
滑用コンデンサＣ１の両端に接続されるスイッチング用
トランジスタＱ１と、該トランジスタＱ１に起動電流を
供給する起動用抵抗Ｒ１と、一次コイルＴ１の帰還巻線
Ｎ_Bの一端とトランジスタＱ１のベースとを接続するベ
ース電流制限抵抗Ｒ２と、トランジスタＱ１のベース回
路に設けられるダイオードＤ３、コンデンサＣ２及び定
電圧ダイオードＤ２とを有している。

【００１９】なお、一次コイルＴ１は円筒状磁芯を用い
ているため、主巻線Ｎ_Pとして必要なインダクタンスを
確保するための巻数はかなり多くなり、一次、二次の結
合が弱いためにリーケージインダクタンスが大きく、ま
た主巻線Ｎ_Pの分布容量Ｃ０の影響からコンバータの電
圧波形は半波正弦波のようになりノイズに対して有利と
なる。

【００２０】被充電部側ハウジング４３内に収納される
コンバータの二次側回路６０Ｂは、二次コイルＴ２の巻
線Ｎ_Sに並列に接続された共振用コンデンサＣ３と、巻
線Ｎ_Sに誘起した高周波電圧を整流平滑する二次側整流
平滑回路をなす整流用ダイオードＤ４及び平滑用コンデ
ンサＣ４とを有し、コンデンサＣ４の両端の電圧がニッ
ケル−カドミウム電池等の二次電池Ｂの直列接続回路
（本実施例では３個直列）に印加されている。なお、二
次コイルＴ２の巻線Ｎ_Sのインダクタンスと共振用コン
デンサＣ３との並列共振周波数は一次側の並列共振周波
数に略一致するように設定されている。

【００２１】本実施例では、コンバータのスイッチング
周波数：１２０ｋＨｚ、Ｃ１：２２μＦ、Ｃ２：１８０
μＦ、Ｃ３：０．０１μＦ、Ｃ４：６８μＦ、Ｒ１：１
３０ｋΩ、Ｒ２：１３０Ω、２次電池Ｂ：１．２Ｖ、６
００ｍＡｈ、定電圧ダイオードＤ２のツエナー電圧Ｖ
z：６Ｖとした。

【００２２】次に図３のコンバータの動作説明を行う。
一次側回路６０Ａのスイッチング用トランジスタＱ１の
ベースに起動用抵抗Ｒ１を通して起動電流ｉgが流れ、
トランジスタＱ１がターンオンする。すると帰還巻線Ｎ
_BにトランジスタＱ１のベース電流を増加させる向きの
誘起電圧が発生し、トランジスタＱ１のコレクタ電流は
増加して行く。やがてコレクタ電流は飽和して増加でき
なくなると、帰還巻線Ｎ_Bの誘起電圧の極性が反転して
トランジスタＱ１はターンオフする。このターンオフ
時、コンデンサＣ２はダイオードＤ３を通じて負電圧に
充電される。Ｖｃ＝Ｖｚ＋Ｖ_BE (但し、Ｖｃ：コンデンサＣ２の充電電圧、Ｖｚ：定電
圧ダイオードＤ２のツエナー電圧、Ｖ_BE：トランジスタ
Ｑ１のベース−エミッタ間電圧）の条件で定電圧ダイオ
ードＤ２に電流ｉzが流れ、トランジスタＱ１のベース
電流がバイパスされてトランジスタＱ１のターンオフが
所定期間維持され、スイッチングのデューティーが定ま
る。

【００２３】そして、トランジスタＱ１のオン期間中に
一次コイルＴ１に蓄積されたエネルギーが、そのオフ期
間に二次側回路６０Ｂの二次コイルＴ２、整流平滑回路
を通して整流、平滑されて二次電池Ｂに印加され、当該
二次電池Ｂの充電が実行される。

【００２４】図１の実施例に係る非接触型充電器用トラ
ンスを用いて図３のようなコンバータを構成した場合、
非接触型充電器用トランスの結合係数を大きくできるた
め、一次側から二次側に効率的に電力を伝送できる利点
がある。また、一次コイルＴ１の主巻線Ｎ_Pの巻数が多
く、分布容量が大きいことを利用して、スイッチング用
トランジスタＱ１のコレクタ側の電圧波形を正弦波に近
づけて低ノイズ化を図ることができる。

【００２５】図４は図１のフェライトの円筒状磁芯を用
いた実施例に係る非接触型充電器用トランスと、同一外
径で同材質の円柱状磁芯を用いた比較例のギャップ長Ｌ
と結合係数ｋとの関係を示す。一次コイルＴ１の主巻線
Ｎ_Pと二次コイルＴ２の巻線Ｎ_Sとの相互インダクタンス
ＭはＭ＝ (Ｌb−Ｌa)／４（但し、Ｌa：差動結合の合成インダクタンス、Ｌb：和
動結合の合成インダクタンス）で示され、結合係数ｋ
は、相互インダクタンスＭを用いてｋ＝Ｍ／(Ｌ₁Ｌ₂)^1/2 （但し、Ｌ₁：主巻線（一次巻線）Ｎ_Pの自己インダクタ
ンス、Ｌb：二次巻線Ｎ_Sの自己インダクタンス）で示さ
れる。この図４の実測データから、一次、二次巻線間の
ギャップ長Ｌが０〜６mmの全測定範囲において曲線
（イ）の実施例の場合の方が曲線（ロ）の比較例の場合
よりも結合係数ｋが１２％〜５％程度大きく、一次コイ
ルＴ１から二次コイルＴ２への電力の伝送を効率よく実
行できることが判る。但し、図４の測定に際し、磁芯内
径９mm、磁芯外径：１２．７mm、主巻線Ｎ_Pの外径：１
７．３mm、磁芯外周面の幅（主巻線Ｎ_Pの幅）：９．２m
m、二次巻線Ｎ_Sの幅：６mmとした。

【００２６】図５は図１のフェライトの円筒状磁芯を用
いた実施例に係る非接触型充電器用トランスにおいて、
円筒状磁芯の内径φＡの外径φＢに対する比φＡ／φＢ
と結合係数ｋとの関係を示す。φＡ／φＢ＝０は円柱状
磁芯に対応し、φＡ／φＢ＝１は空芯に対応している。
この図５から、とくにφＡ／φＢが０．４〜０．９の範
囲とすることで円柱状磁芯の場合よりも優れた結合係数
を得ることができることが判る。但し、図５の測定条件
は、磁芯外径：１２．７mm、主巻線Ｎ_Pの外径：１８．
６mm、磁芯外周面の幅（主巻線Ｎ_Pの幅）：９．２mm、
二次巻線Ｎ_Sの外径：２９mm、二次巻線Ｎ_Sの幅：６mm、
ギャップ長Ｌ：４mm固定とした。

【００２７】図６は図１の円筒状磁芯を用いた実施例に
係る非接触型充電器用トランス（ｋ＝０．５３、Ｌ＝４
mm）及び図８の従来例のトランス（ｋ＝０．３７、Ｌ＝
４mm）を他励フライバックコンバータにそれぞれ使用
し、発振周波数１２０ｋＨｚ、デューティー５０％に固
定した場合の出力電流Ｉ₀と出力電圧Ｖ₀の関係、すなわ
ち出力特性を測定したもので、曲線（ハ）に示す結合係
数ｋ＝０．５３の実施例の場合の方が、曲線（ニ）の従
来例（結合結合ｋ＝０．３７）よりも格段に大きな電力
を伝送できることが判る。

【００２８】上記実施例では、被充電部の軽量化に配慮
した二次コイルは空芯構造としたが、さらに結合係数を
増大させるために、例えば二次巻線の外周側に軽量の磁
芯を配置して二次コイルを構成してもよい。

【００２９】以上本発明の実施例について説明してきた
が、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の
範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者
には自明であろう。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非接触型
充電器用トランスによれば、充電部側ハウジングに設け
られていて、円筒状磁芯の外周に該磁芯とほぼ同じ幅で
巻線してなる一次コイルと、前記充電部側ハウジングに
対して着脱自在な被充電部側ハウジングに設けられてい
て、両ハウジング結合時に前記一次コイルの外側を前記
円筒状磁芯と同心となるように周回する二次コイルとを
備えた構成としたので、円柱状磁芯を用いたものに比べ
て一次コイルによる磁束が一次コイルの外側に出やすく
なり（磁芯中心部に磁束が集中することがなく）、一次
コイルの外側を周回する二次コイルと鎖交する磁束量を
増加させ、一次、二次コイル間の結合度を向上させるこ
とができる。この結果、一次、二次コイル間の電力伝送
を効率的に行うことができ、二次電池の充電を効率的に
実行可能な非接触型充電器を作成するのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触型充電器用トランスの実施
例を示す正断面図である。

【図２】図１の非接触型充電器用トランスを用いた非接
触型充電器であって充電部ハウジングに被充電部を載置
した状態の正断面図である。

【図３】非接触型充電器の回路構成を示す回路図であ
る。

【図４】実施例に係る非接触型充電器用トランスと比較
例の場合のギャップ長と結合係数との関係を示すグラフ
である。

【図５】実施例に係る非接触型充電器用トランスにおい
て円筒状磁芯の内径φＡの外径φＢに対する比φＡ／φ
Ｂと結合係数ｋとの関係を示すグラフである。

【図６】実施例に係る非接触型充電器用トランス及び図
８の従来例のトランスを他励フライバックコンバータに
それぞれ使用して出力特性を測定したグラフである。

【図７】非接触型充電器用トランスの従来例を示す正断
面図である。

【図８】非接触型充電器用トランスの他の従来例を示す
正断面図である。

【符号の説明】

４１充電部側ハウジング４２円筒状凸部４３被充電部側ハウジング４４円筒状凹部５０非接触型充電器用トランス５１，５７巻線５２，５６鍔付き円筒状ボビン５３円筒状磁芯Ｔ１一次コイルＴ２二次コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充電部側ハウジングに設けられていて、
円筒状磁芯の外周に当該外周とほぼ同じ幅で巻線してな
る一次コイルと、前記充電部側ハウジングに対して着脱自在な被充電部側
ハウジングに設けられていて、結合時に前記一次コイル
の外側を前記円筒状磁芯と同心となるように周回する巻
線を有する二次コイルとを備えたことを特徴とする非接
触型充電器用トランス。