JPWO2014181462A1 - 充電池及び充電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】充電池、充電システム、及び電子機器において、受電コイルと送電コイルとの位置関係を緩和すること。【解決手段】外周側面３５ａが円筒状の電池本体３５と、外周側面３５ａに高々１重に巻かれ、電池本体３５と電気的に接続された受電コイル３６とを有し、受電コイル３６が、外周側面３５ａが露出する隙間を開けつつ、該外周側面３５ａに螺旋状に巻かれた充電池による。【選択図】図１２

Description

本発明は、充電池、充電システム、及び電子機器に関する。
携帯端末等の電子機器には繰り返して充電することが可能な充電池が使用される。充電池の充電方式には、金属接点を介して充電池に充電を行う方式と、金属接点等を介さずに電池に充電を行うワイヤレス充電方式とがある。このうち、ワイヤレス充電方式は、充電器の金属接点に電池を接触させる煩わしさがないためユーザの便宜に資することができる。
ワイヤレス充電方式においては、電源から送電コイルに電力を供給することで磁界を生成し、その磁界によって受電コイルに誘導起電力を生じさせる。受電コイルは電池に内蔵されており、その誘導起電力によって電池が充電されることになる。
ワイヤレス充電方式は、電磁誘導方式と磁界共鳴方式とに分けられる。両者は、送電コイルと受電コイルとの結合係数やQ値に応じて区別され、Q値が小さく結合係数が大きいものを電磁誘導方式と呼び、これとは逆にQ値が大きく結合係数が小さいものを磁界共鳴方式と呼ぶことが多い。
電磁誘導方式においては、電力の伝送効率を高めるために受電コイルと送電コイルとを正対させなければならず、受電コイルと送電コイルとの位置関係に制約が生じて不便である。
一方、磁界共鳴方式においては、受電コイルが送電コイルに正対していなくても十分な伝送効率が得られることが知られており、電磁誘導方式と比べて便利な充電方式である。
そのような磁界共鳴方式を用いたワイヤレス充電では、受電コイルと送電コイルとの位置関係を更に緩和するという点で改善の余地がある。
充電池、充電システム、及び電子機器において、受電コイルと送電コイルとの位置関係を緩和すること。
以下の開示の一観点によれば、外周側面が円筒状の電池本体と、前記外周側面に高々１重に巻かれ、前記電池本体と電気的に接続された受電コイルとを有し、前記受電コイルが、前記外周側面が露出する隙間を開けつつ、該外周側面に螺旋状に巻かれた充電池が提供される。
また、その開示の別の観点によれば、第１の軸を中心にして巻かれた送信コイルと、円筒状の外周側面を備え、第２の軸を長手方向とする電池本体と、前記外周側面に高々１重に巻かれ、前記電池本体と電気的に接続された受電コイルとを有し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、前記受電コイルが、前記外周側面が露出する隙間を開けつつ、該外周側面に螺旋状に巻かれた充電システムが提供される。
更に、その開示の他の観点によれば、外周側面が円筒状の電池本体と、前記外周側面に高々１重に巻かれて前記電池本体と電気的に接続された受電コイルとを備えた充電池を有し、前記受電コイルが、前記外周側面が露出する隙間を開けつつ、該外周側面に螺旋状に巻かれた電子機器が提供される。
開示の充電池によれば、電池本体の外周側面が露出する隙間を開けながら螺旋状に受電コイルを巻く。これにより、水平面に充電池を転がしたときに、水平面に平行に設けられた送電コイルと受電コイルとの間における電力の授受の効率が低下する可能性が減り、受電コイルと送電コイルとの位置関係を緩和できることが明らかとなった。
図１は、電磁誘導方式を用いた充電システムの模式図である。 図２は、送電コイルと電池本体との位置合わせに使用される治具の模式断面図である。 図３は、磁界共鳴方式を用いた充電システムの模式図である。 図４は、磁界共鳴方式において使用される受電コイルの展開図である。 図５は、電池本体の底面から見た充電池の側面図である。 図６は、検討に使用した充電池の側面図である。 図７は、検討に使用した充電池の転がり角と電力の授受の効率との関係をシミュレーションして得られた図である。 図８は、誘導電流同士が相殺するのを抑制するために検討された充電池の断面図である。 図９は、転がり角が０°のときの図８の充電池の断面図である。 図１０は、充電池の転がり角と、電力の授受の効率との関係をシミュレーションして得られた図である。 図１１は、第１実施形態に係る磁界共鳴方式を用いた充電システムの斜視図である。 図１２は、第１実施形態に係る充電池の斜視図である。 図１３は、第２の軸に平行な方向から見た第１実施形態に係る充電池の側面図である。 図１４は、第１実施形態に係る充電池の側面図である。 図１５は、第１実施形態において転がり角について説明するための側面図である。 図１６は、シミュレーションに使用した条件を示す図である。 図１７は、第１実施形態に係る充電池の転がり角と効率との関係をシミュレーションして得られた図である。 図１８は、比較例に係る充電池の転がり角と効率との関係をシミュレーションして得られた図である。 図１９は、第１実施形態において、受電コイルの巻き数と効率との関係をシミュレーションにより調査して得られたグラフである。 図２０（ａ）は、第１実施形態に係る充電池の側面図であり、図２０（ｂ）は、比較例に係る充電池の側面図である。 図２１（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態において、転がり角によって効率に差異が生じる理由について説明するための充電池の側面図である。 図２２は、第２実施形態の第１例に係る充電池の断面図である。 図２３は、第２実施形態の第２例に係る充電池の断面図である。 図２４は、第２実施形態の第３例に係る充電池の断面図である。 図２５は、第２実施形態の第４例に係る充電池の断面図である。 図２６は、第２実施形態の第１例に係る電子機器の断面図である。 図２７は、第２実施形態の第２例に係る電子機器の断面図である。 図２８は、第２実施形態の第３例に係る電子機器の断面図である。 図２９は、第２実施形態の第４例に係る電子機器の断面図である。 図３０は、第３実施形態の第１例に係る充電システムの模式図である。 図３１は、第３実施形態の第２例に係る充電システムの模式図である。 図３２は、第３実施形態における第２の共振コイルの巻き方の一例を示す斜視図である。 図３３は、第３実施形態の第３例に係る充電システムの模式図である。 図３４は、第４実施形態の第１例に係る充電池の回路図である。 図３５は、第４実施形態の第２例に係る充電池の回路図である。 図３６は、第４実施形態の第３例に係る充電池の回路図である。 図３７は、その他の実施形態に係る充電池の充電方法を示す模式図である。 図３８は、その他の実施形態に係る電池パックの断面図である。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が行った検討事項について説明する。
前述のようにワイヤレス充電方式には電磁誘導方式と磁界共鳴方式とがある。
これらのうち、電磁誘導方式について図１を参照して説明する。図１は、電磁誘導方式を用いた充電システムの模式図である。
この充電システム１は、充電の対象となる充電池５と、ワイヤレスで充電池５に電力を送るための送電コイル２とを有する。
送電コイル２には交流電源６が接続されており、交流電源６から送電コイル２に供給された電流によって送電コイル２の周囲に磁界Hが生じる。
一方、充電池５は、電池本体４とその外周側面に巻かれた受電コイル３とを有する。上記の磁界Hによって受電コイル３には誘導起電力が生じ、その誘導起電力で電池本体４が充電される。
上記の誘導起電力は受電コイル３の巻き数に比例する。そのため、この充電システム１においては、電池本体４の外周側面に受電コイル３を隙間なく巻いて受電コイル３の巻き数を増やすことで、受電コイル３で発生した高い誘導起電力により電池本体４を効率的に充電することができる。
但し、電池本体４の中心軸Cが送電コイル２のコイル面２ａから傾いていると、受電コイル３を貫く鎖交磁束が減って受電コイル３の起電力が低下してしまうので、送電コイル２と電池本体４とを事前に位置合わせしてくのが好ましい。
図２は、そのような位置合わせに使用される治具の模式断面図である。
治具７は、複数の充電池５に対して電磁誘導方式で同時に充電をするのに使用されるものであって、前述の送電コイル２を内蔵すると共に、複数の充電池５を内側に収容するハウジング７ａを有する。ハウジング７ａの底面には、鉛直上向きに立てられた充電池５が嵌る複数の凹部７ｂが設けられる。
これによれば、凹部７ｂに充電池５を嵌めることで充電池５の中心軸Cが鉛直方向を向くようになるため、中心軸Cがコイル面２ａから傾くのが防止され、受電コイル３を貫く鎖交磁束が低減するのを抑制することができる。
しかしながら、この方法では、ユーザが自ら治具７と充電池５とを位置合わせして各凹部７ｂに電池５を嵌めなければならず不便である。
このような位置合わせの手間を減らすために以下のように磁界共鳴方式を用いた充電システムを考える。
図３は、磁界共鳴方式を用いた充電システムの模式図である。
この充電システム１０は、充電の対象となる充電池１５と、ワイヤレスで充電池１５に電力を送るための送電コイル１１とを有する。
送電コイル１１には交流電源１２と共振用の第１のキャパシタ１６とが接続されており、交流電源１２から送電コイル１１に供給された電流によって送電コイル１１の周囲に磁界Hが生じる。
一方、充電池１５は、電池本体１４とその外周側面に巻かれた受電コイル１３とを有する。
電池本体１４は、金属製の筒体の内部に不図示の電解質や電極を有しており、上記の磁界Hを受けて受電コイル１３で生じた起電力によって充電される。
図４は、受電コイル１３の展開図である。
図４に示すように、受電コイル１３は、その展開形状が概略矩形状であって、第１の端部１３ａと第２の端部１３ｂを有する。実使用下においてはこれらの端部１３ａ、１３ｂを電池本体１４の正極と負極の各々に接続することで、受電コイル１３に生じた誘導起電力を電池本体１４に供給することができる。
また、その受電コイル１３には共振用の第２のキャパシタ１７も設けられる。
磁界共鳴方式は、受電コイル１３のQ値を高めることで各コイル１１、１３同士の位置合わせを緩和するものであるが、そのQ値は以下の式（１）で与えられることが知られており、受電コイル１３の抵抗Rohmが増えるとQ値が低下してしまう。
Figure 2014181462
なお、式（１）においてωは受電コイル１３を流れる電流の角周波数であり、Lは受電コイル１３のインダクタンスである。また、Rradは、受電コイル１３から放射される電磁波を表す放射抵抗である。
矩形状の受電コイル１３は、図１のように密に巻かれた受電コイル３よりもコイル長が短いためその抵抗Rohmが小さく、式（１）によってQ値を高めることが可能となる。
更に、このように受電コイル１３の展開形状を矩形状としたことで、図３に示すように電池本体１４の外周側面が受電コイル１３から大きく露出し、受電コイル１３の内側を貫く鎖交磁束を大きくすることができる。
その結果、充電池１５が水平面内に寝た状態でも受電コイル１３に十分な起電力が生じると考えられ、充電時に図１や図２のように充電池を立たせる必要がなくなり、ユーザの便宜に資することができるとも考えられる。
図５は、円筒状の電池本体１４の底面から見た充電池１５の側面図である。
図５に示すように、受電コイル１３の内側を貫いた磁界Hは電池本体１４に至る。前述のように電池本体１４は金属製の筒体を有するため、磁界Hによってその筒体に渦電流が生じ、磁界Hのエネルギが渦電流の生成に使用されてしまう。
よって、この方法には、図３のように水平面内に寝た状態の充電池１５を充電できるという利点はあるものの、送電コイル１１と受電コイル１３との間におけるエネルギの授受が効率的でないという問題がある。
図６は、この問題を解消するために検討された充電池１５の側面図である。
この例では、電池本体１４の側面にフェライトや軟磁性材料を含む磁性シート１８を巻く。なお、受電コイル１３の展開形状は、図４と同様に矩形状である。
磁性シート１８は磁界Hをその内部に取り込む性質がある。よって、この構造によれば、電池本体１４に磁界Hが至るのを防止して、電池本体１４の表面での渦電流の生成に磁界Hのエネルギが無駄に消費されるのを抑制し、磁界Hのエネルギを受電コイル１３の起電力に有効活用することができると考えられる。
但し、このように磁性シート１８に取り込まれた磁界Hの一部は、電池本体１４の上方に漏れ出し、受電コイル１３に誘導電流I1を生成する。その誘導電流I1は、電池本体１４の下方において磁界Hが受電コイル１３に生成する誘導電流I2と向きが逆である。
よって、このように単に磁性シート１８を設けたのでは、各誘導電流I1、I2同士が相殺し合ってしまうため、十分な量の電流を電池本体１４に供給することができない。
本願発明者は、充電池１５の水平面内での転がり角θと、電力の授受の効率Eとの関係をシミュレーションした。
なお、転がり角θは、側面視で電池本体１４の中心軸Cから受電コイル１３がない部分に向かう方向D1と磁界Hの方向D2との間の角度であって、中心軸Cを反時計回りに回る方向を正の方向とした。
また、効率Eは、交流電源１２の電力と、受電コイル１３に誘起される電力との比として定義した。
このシミュレーションの結果を図７に示す。
なお、このシミュレーションでは、充電池１５の内部抵抗を模擬する付加抵抗を受電コイル１３に直列に接続し、その負荷抵抗が０．１Ω、０．２Ω、０．３Ωの各々について計算した。
図７に示すように、略全ての転がり角θにおいて効率Eは１０％を下回っている。実用的には効率Eは５０％以上であるのが好ましいため、この充電池１５では実使用に耐えないことが分かった。
図８は、上記のように誘導電流同士が相殺するのを抑制するために検討された充電池１５の断面図である。
この例では、図４に示したような展開形状が矩形状の受電コイル１３を、円筒形状の電池本体１４の半周部分のみに巻く。
なお、この例における転がり角θは、側面視で電池本体１４の中心軸Cから受電コイル１３の端部に向かう方向D3と磁界Hの方向D2との間の角度であって、中心軸Cを反時計回りに回る方向を正の方向と定義する。
このようにすると、転がり角θが−９０°の場合においては、電池本体１４の上方に漏れ出した磁界Hに受電コイル１３が曝されなくなり、電池本体１４の上方と下方とで誘導電流が相殺し合うのを抑制できる。
一方、図９は、転がり角θが０°のときの充電池１５の側面図である。
この場合には、充電池１５の上方と下方の各々において磁界Hに受電コイル１３が曝されるようになるため、図６の場合と同様に受電コイル１３を流れる誘導電流同士I1、I2が相殺し合う状況となる。
図１０は、図８と図９に示した充電池１５の転がり角θと、電力の授受の効率Eとの関係をシミュレーションして得られた図である。
図１０に示すように、転がり角θが−９０°の場合には前述のように誘導電流同士が相殺するのを防止できるため６０％程度の高い効率Eが得られるものの、転がり角θが０°の場合は誘導電流の相殺が原因で効率Eが０％となってしまう。
しかも、実用に耐え得る５０％以上の効率Eが得られる転がり角θは−９０°を中心にして±４０°の領域に限られ、残りの領域では実用に耐え得る程度の効率Eが得られない。以下では、効率Eが５０％未満となる転がり角θを死角と呼ぶ。
図１０のように死角が多いと、充電池１５を水平面内に寝かせたときに転がり角θが死角に入る可能性が高まり、充電池１５を十分に充電できないおそれがある。
更に、転がり角θが死角に入って効率Eが低下した場合、受電コイル１３に伝送されなかった電力は送電コイル１１においてジュール熱として消費されるため、送電コイル１１が発熱して安全面でも問題がある。
以下に、磁界共鳴方式で充電池を充電するときに上記のような死角を低減することができる各実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１１は、本実施形態に係る磁界共鳴方式を用いた充電システムの斜視図である。
本実施形態に係る充電システム３０は、送電コイル３１と充電池３２とを有する。送電コイル３１は、鉛直方向を向いた第１の軸X1を中心にして複数巻かれており、交流電源３３から供給された電流により第１の軸X1に平行な磁界Hを生成する。なお、送電コイル３１と交流電源３３との間には、送電コイル３１と協働してLC共振回路を形成する第１のキャパシタ３４が設けられる。
また、送電コイル３１としては、例えば導電性が良好な銅線を使用し得る。
一方、充電池３２は、第２の軸X2を長手方向とする円筒状であって、上記の磁界Hに曝される。第２の軸X2は特に限定されないが、以下では水平面内に第２の軸X2を設けることで、円筒状の充電池３２を水平面内に寝た状態とする。
図１２は、充電池３２の斜視図である。
充電池３２は、電池本体３５と受電コイル３６とを有する。電池本体３５は円筒状の外周側面３５ａを備え、その外周側面３５ａの周りに受電コイル３６が螺旋状に巻かれる。
受電コイル３６は、例えば銅線であって、第１の端部３６ａと第２の端部３６ｂとを有する。そして、第１の端部３６ａと第２の端部３６ｂとの間には、電池本体３５の長手方向に沿って延びて各端部３６ａ、３６ｂ同士を電気的に接続する直線状の導線４０が設けられる。
また、図１の電磁誘導方式に使用される受電コイル３とは異なり、本実施形態に係る受電コイル３６は電池本体３５に疎に巻かれており、隣接する受電コイル３６の間には電池本体３５が大きく露出する隙間Sが設けられる。
なお、図１２では受電コイル３６の形状を理解し易くするために、受電コイル３６を途切れのない連続した形状で表している。但し、実際には受電コイル３６は途中で途切れており、途切れた点において受電コイル３６は電池本体３５の正極や負極に電気的に接続される。
その受電コイル３６は磁界Hに曝されることで起電力を生成し、その起電力によって電池本体３５が充電される。
図１３は、第２の軸X2（図１０参照）に平行な方向から見た充電池３０の側面図である。
図１３に示すように、電池本体３５は、金属製の円筒状の筒体３８とこれを囲う磁性シート３９とを有し、その磁性シート３９の表面によって電池本体３５の外周側面３５ａが画定される。
磁性シート３９の材料は特に限定されないが、ここではフェライトや軟磁性材料を磁性シート３９の材料として使用する。
磁性シート３９は、磁界Hを自身の内部に取り込むことで筒体３８に磁界Hが至るのを防止する。これにより、磁界Hが原因で金属製の筒体３８の表面に渦電流が生成されるのが抑制され、渦電流の生成に磁界Hのエネルギが無駄に消費されるのを抑制できる。
図１４は、充電池３０の側面図である。
図１４に示すように、導線４０の途中には、受電コイル３６と協働してLC共振回路を形成する第２のキャパシタ４１が設けられる。
次に、図１４を参照しながら、この受電コイル３６に生じる誘導電流について説明する。
前述のように電池本体３５は円筒状であるため、その中心軸Cを中心にして電池本体３５を回転させると、受電コイル３６の一部や導線４０が電池本体３５の背後に隠れる。
受電コイル３６のどの部分が隠れるかは転がり角によるが、どのような転がり角であっても電池本体３５を透視すれば受電コイル３６と導線４０とで閉領域Rが形成される。
その閉領域Rの内側を貫く磁界Hは、受電コイル３６の内側を貫く鎖交磁束として供され、受電コイル３６に誘導電流Iを生成する。一方、閉領域Rの外側を通る磁界Hは、受電コイル３６を貫く鎖交磁束に寄与しないため、受電コイル３６に誘導電流Iを生成することはない。
このように、本実施形態では電池本体３５に受電コイル３６を螺旋状に巻くことで鎖交磁束が貫く閉領域Rが形成され、その閉領域Rの輪郭に沿って誘導電流Iが流れる。
磁界共鳴方式において電池本体３５を充電するのに十分な大きさの誘導電流Iを得るには、閉領域Rをなるべく広くすることで各閉領域Rを貫く鎖交磁束を増加させるのが好ましい。そのため、この例では受電コイル３６をなるべく疎に巻くことで電池本体３５の外周側面３５ａが露出する隙間Sを設け、側面視したときの各閉領域Rの面積を増加させる。
次に、本実施形態に係る充電池３２の死角について説明する。
前述のように、死角は、送電コイル３１と受電コイル３６との間で授受される電力の効率Eが５０％未満となる転がり角θとして定義される。
図１５は、その転がり角θについて説明するための側面図である。
この例では、転がり角θは、側面視で中心軸Cから導線４０に向かう方向D4と、鉛直上向きを向いた第１の軸X1との間の角度であって、中心軸Cを反時計回りに回る方向を正の方向とした。
本願発明者は、図１６に示す条件を用いて、転がり角θと効率Eとの関係をシミュレーションにより求めた。
このシミュレーションの結果を図１７に示す。
なお、このシミュレーションでは、充電池３２の内部抵抗を模擬する付加抵抗を受電コイル３６に直列に接続し、その負荷抵抗が０．１Ω、０．２Ω、０．３Ωの各々について計算した。
図１７に示すように、効率Eが５０％未満となる転がり角θの死角は−１８０°〜１５０°と−３０°〜０°の範囲のみに限られ、死角とならない転がり角θの角度領域が１２０°にも達する。
一方、図１８は、図４のように展開形状が矩形状の受電コイル１３を用いた比較例について、図１７と同じシミュレーションを行って得られた結果を示す図である。
なお、この比較例では、電池本体３５の直径を１０mmとし、受電コイル１３の断面の直径を０．５mmとした。また、受電コイル１３に接続される第２のキャパシタ１７（図４参照）の容量は３４７０pFとした。
図１８に示すように、比較例では死角とならない角度の範囲が８０°に限られ、図１７の本実施形態よりも死角となる範囲が広がってしまう。
この結果より、上記のように受電コイル３６を螺旋状に巻きつつ、受電コイル３６の間に電池本体３５の表面が露出する隙間を設けることが、死角となる角度領域を大幅に低減するのに有効であることが確認できた。
このように死角が減ったのは、中心軸Cを中心に電池本体３５を回転させても、側面視したときに受電コイル３６の隙間に鎖交磁束が貫く閉領域R（図１４参照）が形成されるためと考えられる。
上記のように死角が低減することで、ユーザが水平面に充電池３２を転がしたときに転がり角θが死角に入る可能性が低くなる。これにより、送電コイル３１から受電コイル１３への電力の授受の効率を高めるための送電コイル３１と受電コイル１３との位置関係が緩和され、ユーザの便宜に資することができる。
次に、本願発明者が行った様々な調査について説明する。
まず、受電コイル３６の好適な巻き数について説明する。
受電コイル３６の巻き数は特に限定されないが、巻き数が多いと受電コイル３６の抵抗Rohmが増えるため、受電コイル３６に誘起される誘導電流Iが低減し、送電コイル３１と受電コイル３６との間で授受される電力の効率Eが低下する。
また、前述の式（１）に示したように、Q値は受電コイル３６の抵抗Rohmが増えると低下する。効率Eは、Q値の低下によっても低減してしまうため、Q値の低下が原因で効率Eが減少するのを防止するためにも、受電コイル３６の巻き数をなるべく減らして抵抗Rohmを小さくするのが好ましいと考えられる。
図１９は、受電コイル３６の巻き数と効率Eとの関係をシミュレーションにより調査して得られたグラフである。
その調査では、磁界共鳴方式用の受電コイル３６についてのグラフA、Bの他に、比較のために電磁誘導方式用のコイルについてのグラフC、Dも取得した。
前述のように磁界共鳴方式用の受電コイル３６には第２のキャパシタ４１（図１４参照）が設けられているが、このシミュレーションでは電磁誘導方式用のコイルにキャパシタを設けていない。
また、グラフA、Dは、電池本体３５の長手方向を送電コイル３１のコイル面に平行にした場合に得られたグラフである。そして、グラフB、Cは、電池本体の長手方向を送電コイル３１のコイル面に垂直にした場合に得られたグラフである。
更に、グラフA〜Dの取得に際しては、電池の内部抵抗を模擬する０．２Ωの付加抵抗を各コイルに直列に接続してシミュレーションを行った。
本実施形態に係るグラフAにおいては、巻き数が１．５のときに最も高い効率が得られる。
更に、グラフAに示されるように、巻き数が１．５よりも少なくなると効率が低下する。これは、巻き数が少なくなると、巻き数が１．５の場合と比較して受電コイル３６の抵抗Rohmは低下するものの、各閉領域Rの合計面積が不足して鎖交磁束が減少し、効率Eが低下するためと考えられる。
また、グラフAにおいては、巻き数が１．５よりも多い場合にも効率が低下する。これは、抵抗Rohmの増大によって上記のQ値が低下してしまうためと考えられる。
以上により、受電コイル３６の巻き数を１．５とすることが、効率Eを高い値に維持し得るという点で最も好適であることが明らかとなった。
なお、グラフC、Dに示されるように、キャパシタがない電磁誘導用のコイルにおいて巻き数を１．５巻きとしたのでは効率が０％に近い極めて低い値しか得られないことも分かった。
次に、受電コイル３６の好適な層数について説明する。
受電コイル３６を２重以上に巻くと、巻き数を増やすのと同様に受電コイル３６の抵抗Rohmが増大し、上記のように効率EやQ値が低下してしまう。
よって、効率EとQ値を高い値に維持するという観点からすると、受電コイル３６を高々１重に巻くのが好ましい。
次に、受電コイル３６の巻き方について説明する。
図２０（ａ）は、本実施形態に係る充電池３２の側面図である。
図２０（ａ）に示すように、本実施形態では、受電コイルの３６の一周分の第１のピッチP1は、受電コイル３２の半周分の第２のピッチP2よりも大きい。このようにすると、電池本体３５に隠れずに見える部分の受電コイル３２を流れる誘導電流Ifと、電池本体３５の背後に隠れる部分の受電コイル３２を流れる誘導電流Ibとの間の角度αを大きくすることができる。その結果、各誘導電流If、Ibの向きが互いに反平行になり難くなるため、誘導電流If、Ib同士が打ち消しあうのを抑制でき、受電コイル３２に大きな誘導電流を誘起することができる。
一方、図２０（ｂ）は、比較例に係る充電池３７の側面図である。
この比較例においても、本実施形態と同様に電池本体３５に螺旋状に受電コイル３２を巻く。
但し、比較例では、受電コイルの３２の一周分の第１のピッチP1を、受電コイル３２の半周分の第２のピッチP2以下とする。
このようにすると、前述の誘導電流Ifと誘導電流Ibとの間の角度αが本実施形態よりも小さくなる。よって、各誘導電流If、Ibの向きが反平行に近づくようになるため、誘導電流If、Ib同士が打ち消しあって受電コイル３２に流れる全誘導電流が小さくなってしまう。
以上のように、受電コイル３２に大きな誘導電流を誘起させるという観点からすると、前述の第１のピッチP1を第２のピッチP2よりも大きくするのが好ましい。
次に、電池本体３５の好適なアスペクト比について説明する。
アスペクト比は、円筒状の電池本体３５の長手方向の長さをL、直径をRとしたとき、L／Rで定義される。
本願発明者は、単１〜単４電池の各々のアスペクト比と上記の効率Eとの関係について調査した。その調査結果を表１に示す。
Figure 2014181462
この調査では、単１〜単４のいずれの電池においても受電コイル３６の巻き数を１．５とした。
表１に示されるように、単１〜単４のいずれの電池であっても７０％以上の高い効率Eを達成できることが分かった。
なお、単１〜単４の電池のうち、市場における需要が高いのは単３電池と単４電池である。表１によれば、単３電池と単４電池のアスペクト比はいずれも３．５以上である。よって、アスペクト比が３．５以上の電池本体３５に受電コイル３６を巻くことにより、市場に受け入れられやすい充電池を提供することができる。
（第２実施形態）
第１実施形態では、図１７に示したように、効率Eが最も高くなるのは転がり角θが−９０°のときであり、転がり角θが−１８０°と０°のときには効率が０となる。
このように転がり角θによって効率に差異が生じる理由について、図２１（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。
図２１（ａ）は、転がり角θが０°のときに、磁界Hに平行な視線方向から見た充電池３２の側面図である。
この場合、電池本体３５を透かして見れば、受電コイル３６と導線４０とで輪郭が画定される閉領域R1〜R3が存在し、各閉領域R1〜R3には誘導電流I1〜I3が図の矢印の向きに流れようとする。
但し、導線４０を流れる部分の誘導電流I1〜I3の向きは全ての閉領域R1〜R3で同一とはならならず、誘導電流I2の向きは誘導電流I1、I3の向きとは異なる。よって、転がり角θが０°のときには電流I1〜I3が相殺し合って効率が０となる。
このように誘導電流I1と誘導電流I2とで向きが異なるのは、これらの誘導電流I1、I2が流れる閉領域R1、R2の接点Aにおいて、電池本体３５の背後に隠れた部分の受電コイル３６が導線４０と交差することに原因があると考えられる。
一方、図２１（ｂ）は、転がり角θが−９０°のときに、磁界Hに平行な視線方向から見た充電池３２の側面図である。
この場合、電池本体３５を透して見れば、受電コイル３６と導線４０とで輪郭が画定される閉領域R4、R5が存在し、各閉領域R4、R5には誘導電流I4、I5が図の矢印の向きに流れる。
図２１（ａ）の場合と異なり、転がり角θが−９０°のときには、電池本体３２の背後に隠れた部分の受電コイル３６と導線４０とが交差しないため、誘導電流I4、I5は同一の方向となる。よって、この場合には誘導電流I4、I5は相殺せず、図１７のように高い効率が得られることになる。
このように、転がり角θによって効率に差異が生じた原因は、電池本体３５の背後に隠れた部分の受電コイル３６と導線４０との接点Aが、視線の方向によって現れたり現れなかったりすることにある。
以下では、図２１（ｂ）のように上記の接点Aが現れない視線方向を第１の方向D0と呼ぶことにする。
本実施形態では、その第１の方向D0を利用することにより以下のようにして効率Eが最大になるようにする。
図２２は、本実施形態の第１例に係る充電池３２の断面図である。
この充電池３２は、第１実施形態で説明した電池本体３５と受電コイル３６とを収容するケース４５を有する。ケース４５は、断面形状が多角形であって、第１の方向D0に直交する平坦面４５ａを備える。
平坦面３５ａを下にして水平面Pに充電池３２を置くと、この状態で充電池３２の姿勢が安定するため、ユーザが転がり角θを意識しなくても転がり角θが−９０°となって効率Eが最大値となる。
図２３は、本実施形態の第２例に係る充電池３２の断面図である。
図２３に示すように、この充電池３２は、第１実施形態で説明した電池本体３５と受電コイル３６とを収容するケース４５を有する。ケース４５は円筒状であって、その内側に複数の錘４９を収容する。
その錘４９の配置の仕方は特に限定されない。この例では、電池本体３５の中心軸Cを中心にして６０°の角度ごとにケース４５の内面に６個の錘４９を配する。また、６個の錘４９のうちの少なくとも一つは、第１の方向D0に位置させる。
これにより、第１の方向D0を鉛直下方に向けたとき、中心軸Cを基準にしたときにおける各錘４９に作用する重力のモーメントの総和が０となる。そのため、第１の方向D0が鉛直下方に向いた状態で充電池３２の姿勢が安定し、ユーザが転がり角θを意識しなくても転がり角θが−９０°となって効率Eを最大値にすることができる。
図２４は、本実施形態の第３例に係る充電池３２の断面図である。
本例でも図２３の第２例と同様に充電池３２に複数の錘４９を設ける。但し、本例では、第１の方向D0に錘４９を位置させないことにより、第１の方向D0を鉛直下方に向けたときに各錘４９に作用する重力のモーメントの総和が０となるようにする。
このようにしても、第２例と同じ理由によって、第１の方向D0が鉛直下方に向いた状態で充電池３２の姿勢が安定し、効率Eが最大値となる。
図２５は、本実施形態の第４例に係る充電池３２の断面図である。
この充電池３２は、第１実施形態で説明した電池本体３５と受電コイル３６とを収容する円筒状のケース４５を有する。
本例では、電池本体３５の中心軸Cを、ケース４５の中心軸C1から第１の方向D0にずらす。
これにより、充電池３２の重心が第１の方向D0にずれるため、水平面Pに充電池３２を置くと第１の方向D0が鉛直下方に向いた状態で充電池３２の姿勢が安定するようになる。よって、ユーザが転がり角θを意識しなくても、転がり角θが自動的に−９０°となって効率Eを最大値にすることができる。
上記した図２２〜図２５の各例では充電池３２について説明したが、これらの例を以下のようにスマートフォン、タブレットPC(Personal Computer)、テレビ用リモコン、及び家庭用ゲーム機等の電子機器に適用することもできる。
図２６〜図２９は、本実施形態に係る電子機器の断面図である。
図２６は、本実施形態の第１例に係る電子機器４７の断面図である。
この電子機器４７は、第１実施形態の充電池３２を収容した筐体４８を有する。図２２のケース４５と同様に、筐体４８は断面形状が多角形であって、第１の方向D0に直交する平坦面４８ａを備える。
よって、図２２を参照して説明したのと同じ理由により、転がり角θが−９０°のときに電子機器４７の姿勢が安定し、充電池３２の効率Eが最大値となる。
図２７は、本実施形態の第２例に係る電子機器４７の断面図である。
本例に係る電子機器４７は、第１実施形態の充電池３２を収容した円筒状の筐体４８を有しており、その筐体４８の内側に複数の錘４９を備える。
各錘４９は図２３の例と同じように配置されており、円筒状の筐体４８の中心軸C3を基準にしたときにおける各錘４９に作用する重力のモーメントの総和が０となる。よって、図２３を参照して説明したように、この電子機器４７においても第１の方向D0が鉛直下方に向いた状態で充電池３２の姿勢が安定する。そのため、ユーザが充電池３２の転がり角θを意識しなくても、転がり角θが−９０°となって効率Eを最大値にすることができる。
図２８は、本実施形態の第３例に係る電子機器４７の断面図である。
本例でも、図２７の第２例と同様に複数の電子機器４７に複数の錘４９を設ける。
各錘４９の配置の仕方は図２４で説明したのと同様である。よって、この場合も各錘４９に作用する重力のモーメントの総和が０となるため、ユーザが転がり角θを意識しなくても転がり角θが−９０°となって効率Eを最大値にすることができる。
図２９は、本実施形態の第４例に係る電子機器４７の断面図である。
この電子機器４７は、第１実施形態の充電池３２を収容した円筒状の筐体４８を有する。
図２５の例と同様に、本例においても電池本体３５の中心軸Cを筐体４８の中心軸C3から第１の方向D0にずらす。これにより、図２５を参照して説明したのと同じ理由により、角度方向D0が鉛直下方に向いた状態で充電池３２の姿勢が安定するため、転がり角θが自動的に−９０°となって効率Eを最大値にすることができる。
（第３実施形態）
第１〜第２実施形態では、送電コイル３１と受電コイル３６のみで電力の授受を行った。
これに対し、本実施形態では、送電コイル３１や受電コイル３６と共に共振コイルを用いる。その共振コイルを設ける位置に応じ、本実施形態は以下の第１〜第３例に大別される。
図３０は、本実施形態の第１例に係る充電システムの模式図である。
なお、図３０において第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
本例に係る充電システム５５においては、送電コイル３１と並行するように第１の共振コイル５１を設けると共に、その第１の共振コイル５１に共振用の第１のキャパシタ３４を設ける。
この構成によれば、送電コイル３１と第１の共振コイル５１との間で電磁誘導現象によって電力の授受が行われる。そして、第１の共振コイル５１と受電コイル３６との間においては磁界共鳴現象によって電力の授受が行われる。
ここで、充電システム５５の全体のインピーダンスは、電池本体３５の内部抵抗が変化することによって変動する。このように電池本体３５の内部抵抗を変化させる要因としては、例えば、電池本体３５の温度変化がある。
充電システム５５のインピーダンスが変化すると、送電コイル３１と受電コイル３６との間における電力の授受の効率も変化する。その効率を高い値に維持するには送電コイル３１にインピーダンス整合器を設けてシステム全体のインピーダンスの変化を防止すればよい。
本例のようにシステム全体で三つのコイルを用いると、コイルが二つのみの場合と比較して、そのインピーダンス整合器において調整し得るインピーダンスの幅が増え、ユーザの便宜に資することができる。
図３１は、本実施形態の第２例に係る充電システムの模式図である。
なお、図３１において、図３０で説明したのと同じ要素には図３０におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
本例に係る充電システム５６においては、受電コイル３６と並行するように第２の共振コイル５２を設けると共に、その第２の共振コイル５２に第２のキャパシタ４１を設ける。
図３２は、第２の共振コイル３６の巻き方の一例を示す斜視図である。
図３２に示すように、第２の共振コイル５２は、受電コイル３６と同様に電池本体３５に螺旋状に巻かれる。
再び図３１を参照する。
このような充電システム５６においては、受電コイル３６と第２の共振コイル５２との間で電磁誘導現象によって電力の授受が行われる。そして、送電コイル３１と第２の共振コイル５２との間においては磁界共鳴現象によって電力の授受が行われる。
このようにコイルを３つ使用することで、第１例（図３０参照）で説明したのと同じ理由によりシステム全体のインピーダンスの調整の幅を広げることができる。
図３３は、本実施形態の第３例に係る充電システムの模式図である。
なお、図３３において、図３０や図３１で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
本例に係る充電システム５７は、第１例と第２例とを組み合わせたものであって、前述の第１の共振コイル５１と第２の共振コイル５２とを併用し、システム全体で四つのコイルを使用する。
この場合は、第１の共振コイル５１と第２の共振コイル５２との間において磁界共鳴現象によって電力の授受が行われる。
このようにコイルを４つ使用することで、コイル数が３つの第１例や第２例と比較して、システム全体のインピーダンスを調整し得る幅を更に増やすことができる。
（第４実施形態）
第１〜第３実施形態で説明した磁界共鳴方式では、磁界を生成するために送電コイルに交流電流を供給したため、受電コイルに誘起される誘導電流も交流となる。
本実施形態では、以下のように整流回路を用いて誘導電流を直流に変換し、その直流で充電池を充電する。
図３４は、本実施形態の第１例に係る充電池３２の回路図である。
この充電池３２は、第１実施形態で説明した電池本体３５、受電コイル３６、第２のキャパシタ４１、及び整流回路６０を有する。なお、抵抗Rohmは受電コイル３６の抵抗であり、抵抗RLは電池本体３５の内部抵抗である。
整流回路６０は、第１〜第４のダイオードD1〜D4をブリッジ接続してなる全波整流回路であって、受電コイル３６を流れる誘導電流Iを一方向に制限する機能を有する。
図３５は、本実施形態の第２例に係る充電池３２の回路図である。
なお、図３５において図３４で説明したのと同じ要素には図３４におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
本例においては、第１例（図３４参照）における整流回路６０から第２のダイオードD2と第４のダイオードD4とを省略し、整流回路６０を半波整流回路とする。
図３６は、本実施形態の第３例に係る充電池３２の回路図である。
なお、図３６において図３４や図３５で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
本例においては、整流回路６０として第１のダイオードD1のみを用い、誘導電流Iが流れる方向を第１のダイオードD1の順方向に制限する。
上記した第１〜第３例のいずれにおいても整流回路６０によって誘導電流Iが直流に整流されるため、直流電流で電池本体３５を充電することが可能となる。
ここで、第１〜第３例では整流回路６０にダイオードを用いているが、充電池３２のコストを下げるにはダイオードの個数をなるべく減らすのが好ましい。コスト低減という観点からすると、ダイオードを一つのみ使用する第３例（図３６参照）が最も好ましい。
また、第１〜第３例に係る整流回路６０を、第３実施形態の第１〜第３例の各々と組み合わせて使用してもよい。
第３実施形態の第１〜第３例は、電池本体３５側に二つのコイルがある場合（図３１、図３３）と、電池本体３５側に一つのコイルがある場合（図３０）とに分けられる。
次の表２は、電池本体３５側のコイル数と、本実施形態の第１〜第３例との組み合わせの態様を示す表である。
Figure 2014181462
なお、表２において「×」が付された組み合わせは、磁界結合方式で電力の供給が行えないことを示す。
前述のようにダイオードの数が少ないほど充電池３２の低廉化を実現できる。よって、表２に「◎」で示したように、電池本体３５側のコイル数が２の構成に、ダイオードが一つのみの第３例を適用するのが充電池３２の低コスト化という観点から最も好ましい。
（その他の実施形態）
充電池３２の充電方法は上記した第１〜第４実施形態に限定されない。
例えば、図１１では磁界共鳴方式で一つの充電池３２を充電する場合を例示したが、図３７のように複数の充電池３２を一度に充電するようにしてもよい。この場合は、水平面に平行な充電台７０に送電コイル３１を設け、その充電台７０の上に複数の充電池３２を転がせばよい。前述のように充電池３２の死角が低減されているので、このように複数の充電池３２を転がしても、各充電池３２の転がり角が死角に入る可能性が減り、各充電池３２を効率的に充電できる。
更に、充電池３２の使用方法も上記した第１〜第４実施形態に限定されない。
図３８は、充電池３２の使用方法の例を示す断面図である。この例では、複数の充電池３２を電池パック８０として使用する。その電池パック８０の断面形状は、例えば矩形状である。
また、複数の充電池３２の各々の第１の方向D0に直交するように電池パック８０に平坦面８０ａを設けてもよい。このようにすると、第２実施形態で説明したように、平坦面８０ａを下にして水平面Pに電池パック８０を置くことにより各充電池３２の効率Eを最大にすることができる。
本発明は、充電池及び充電システムに関する。
充電池及び充電システムにおいて、受電コイルと送電コイルとの位置関係を緩和すること。

Claims (19)

  1. 外周側面が円筒状の電池本体と、
    前記外周側面に高々１重に巻かれ、前記電池本体と電気的に接続された受電コイルとを有し、
    前記受電コイルが、前記外周側面が露出する隙間を開けつつ、該外周側面に螺旋状に巻かれたことを特徴とする充電池。
  2. 前記受電コイルの巻き数は１．５であることを特徴とする請求項１に記載の充電池。
  3. 前記電池本体の長手方向の長さと直径との比が３．５以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充電池。
  4. 前記受電コイルの一周分の第１のピッチは、前記受電コイルの半周分の第２のピッチよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の充電池。
  5. 前記受電コイルは、第１の端部と第２の端部とを有し、
    前記外周側面に設けられ、前記電池本体の長手方向に沿って延び、前記第１の端部と前記第２の端部とを電気的に接続する導線を更に有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の充電池。
  6. 前記電池本体を透して見る複数の視線方向の中に、前記導線と前記電池本体の背後に隠れた部分の前記受電コイルとが交差しない第１の方向が存在することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の充電池。
  7. 前記電池本体と前記受電コイルとを収容するケースを更に有し、
    前記ケースが、前記第１の方向と直交する平坦面を備えたことを特徴とする請求項６に記載の充電池。
  8. 前記電池本体と前記受電コイルとを収容する円筒状のケースを更に有し、
    前記電池本体の中心軸を、前記ケースの中心軸から前記第１の方向にずらしたことを特徴とする請求項６に記載の充電池。
  9. 複数の錘を更に有し、
    前記第１の方向を鉛直下方に向けたとき、前記電池本体の中心軸を基準にしたときにおける複数の前記錘の各々に作用する重力のモーメントの総和が０となることを特徴とする請求項６に記載の充電池。
  10. 前記電池本体は、金属製の筒体と、該筒体を囲う磁性シートとを有し、
    前記外周側面は、前記磁性シートの表面であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の充電池。
  11. 前記受電コイルに沿って前記外周側面に設けられた共振コイルと、
    前記電池本体と前記受電コイルとの間に設けられ、前記受電コイルを流れる電流を一方向に制限する整流回路とを更に有し、
    前記整流回路が、前記一方向を順方向とするダイオードを一つのみ有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の充電池。
  12. 前記電池本体と前記受電コイルとの間に設けられ、前記受電コイルと協働してLC共振回路を形成するキャパシタを更に有することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の充電池。
  13. 第１の軸を中心にして巻かれた送信コイルと、
    円筒状の外周側面を備え、第２の軸を長手方向とする電池本体と、
    前記外周側面に高々１重に巻かれ、前記電池本体と電気的に接続された受電コイルとを有し、
    前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
    前記受電コイルが、前記外周側面が露出する隙間を開けつつ、該外周側面に螺旋状に巻かれたことを特徴とする充電システム。
  14. 外周側面が円筒状の電池本体と、前記外周側面に高々１重に巻かれて前記電池本体と電気的に接続された受電コイルとを備えた充電池を有し、
    前記受電コイルが、前記外周側面が露出する隙間を開けつつ、該外周側面に螺旋状に巻かれたことを特徴とする電子機器。
  15. 前記受電コイルは、第１の端部と第２の端部とを有し、
    前記外周側面に設けられ、前記電池本体の前記長手方向に沿って延び、前記第１の端部と前記第２の端部とを電気的に接続する導線を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の電子機器。
  16. 前記電池本体を透して見る複数の視線方向の中に、前記導線と前記電池本体の背後に隠れた部分の前記受電コイルとが交差しない第１の方向が存在することを特徴とする請求項１５に記載の電子機器。
  17. 前記充電池を収容した筐体を更に有し、
    前記筐体が、前記第１の方向と直交する平坦面を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の電子機器。
  18. 前記充電池を収容した円筒状の筐体を更に有し、
    前記電池本体の中心軸を、前記筐体の中心軸から前記第１の方向にずらしたことを特徴とする請求項１６に記載の電子機器。
  19. 複数の錘を更に有し、
    前記第１の方向を鉛直下方に向けたとき、前記筐体の中心軸を基準にしたときにおける複数の前記錘の各々に作用する重力のモーメントの総和が０となることを特徴とする請求項１６に記載の電子機器。
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