WO2013035282A1 - 非接触充電モジュール、電子機器、及び非接触充電機器 - Google Patents

非接触充電モジュール、電子機器、及び非接触充電機器 Download PDF

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WO2013035282A1
WO2013035282A1 PCT/JP2012/005508 JP2012005508W WO2013035282A1 WO 2013035282 A1 WO2013035282 A1 WO 2013035282A1 JP 2012005508 W JP2012005508 W JP 2012005508W WO 2013035282 A1 WO2013035282 A1 WO 2013035282A1
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charging module
contact charging
coil
magnet
primary
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PCT/JP2012/005508
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健一郎 田畑
徳次 西野
俊明 菊井
辰典 田畑
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パナソニック株式会社
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Priority to US14/343,536 priority patent/US9035605B2/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14Inductive couplings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/02Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0231Magnetic circuits with PM for power or force generation
    • H01F7/0247Orientating, locating, transporting arrangements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/70Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J50/90Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact charging module, an electronic device, and a non-contact charging device having a planar coil portion and a magnetic sheet.
  • the main device such as the portable terminal device and the charger are required to be thin and small.
  • a planar coil portion as a transmitting-side non-contact charging module or a receiving-side non-contact charging module and a magnetic sheet as in (Patent Document 1).
  • the position of the primary side contactless charging module (transmitting side contactless charging module) and the position of the secondary side contactless charging module (receiving side contactless charging module) need to be accurately aligned. is there. This is to efficiently perform electromagnetic induction for power transmission.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which a non-contact charging module (for example, a secondary-side non-contact charging module) is aligned by a magnet provided in the other non-contact charging module (for example, a primary-side non-contact charging module). is there. This is because the magnet is mounted on at least one of the primary side non-contact charging module or the secondary side non-contact charging module, and the mutual magnets or one magnet and the other magnetic sheet are attracted to perform alignment. Is the method.
  • a non-contact charging module for example, a secondary-side non-contact charging module
  • a convex portion is formed on the charging surface of a charger equipped with a primary side non-contact charging module, and a concave portion is formed and fitted into an electronic device equipped with a secondary side non-contact charging module.
  • This is a method for performing proper alignment.
  • the primary side non-contact charging module detects the position of the coil of the secondary side non-contact charging module so that the coil of the primary side non-contact charging module is automatically It is a method of moving to a position.
  • the portable device can be charged anywhere on the charging surface of the charger by providing the charger with a large number of coils.
  • the L value of the coil provided in each non-contact charging module is large depending on whether the magnet is used to align the primary non-contact charging module and the secondary non-contact charging module or not. Change.
  • the electromagnetic induction for power transmission uses the L value of the coil provided in each non-contact charging module to determine its resonance frequency.
  • an object of the present invention is to use a magnet provided in the other non-contact charging module which is the counterpart of power transmission when aligning the primary non-contact charging module and the secondary non-contact charging module. Regardless of whether or not it is used, the change in the L value of the coil provided in the non-contact charging module is suppressed, and it is suitably used in both cases where a magnet is used and when a magnet is not used It is possible to provide a non-contact charging module, an electronic device, and a non-contact charging device that can be downsized.
  • the present invention provides a case where alignment is performed using a circular magnet provided in the other non-contact charging module, and alignment with the other non-contact charging module.
  • a magnetic sheet having a surface on which the planar coil portion is placed, and the substantially rectangular hollow portion of the planar coil portion has a short side shorter than the diameter of the circular magnet and a long side. The configuration is longer than the diameter of the circular magnet.
  • the primary side non-contact charging module and the secondary side non-contact charging module when positioning the primary side non-contact charging module and the secondary side non-contact charging module, when using the magnet provided in the other non-contact charging module which is the other side of the power transmission, or Regardless of the case of not using it, the change in the L value of the coil provided in the non-contact charging module is suppressed, and it can be suitably used in both cases of using a magnet and not using a magnet. It is possible to provide a non-contact charging module in which miniaturization is achieved and a non-contact charging device using the same.
  • the block diagram which shows the non-contact electric power transmission apparatus in embodiment of this invention The figure which shows the structure of the non-contact charger in embodiment of this invention
  • the figure which shows the primary side non-contact charge module in embodiment of this invention Detailed drawing which shows the primary side non-contact charge module in the form of execution of this invention
  • the figure which shows the structure of the portable terminal device in embodiment of this invention The figure which shows the secondary side non-contact charge module in embodiment of this invention Detailed view showing a secondary side non-contact charging module in an embodiment of the present invention
  • the figure which shows the relationship between a primary side non-contact charge module provided with a magnet, and a secondary side non-contact charge module The figure which shows the relationship between the internal diameter of a coil, and the L value of a coil
  • the figure which shows a mode that a non-contact charge module for example, secondary side non-
  • FIG. 1 is a block diagram showing a non-contact power transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • the non-contact power transmission device includes a primary-side non-contact charging module 41 (transmitting-side non-contact charging module) and a secondary-side non-contact charging module 42 (receiving-side non-contact charging module). Utilizing this, power is transmitted from the primary side non-contact charging module 41 to the secondary side non-contact charging module 42.
  • This non-contact power transmission device is used for power transmission of about 5 W or less.
  • the frequency of power transmission is about 110 to 205 kHz.
  • the primary side non-contact charging module 41 is mounted on, for example, a charger, and the secondary side non-contact charging module 42 is mounted on, for example, a mobile phone, a digital camera, a PC, or the like.
  • the primary side non-contact charging module 41 includes a primary side coil 21a, a magnetic sheet 51, a resonance capacitor (not shown), and a power input unit 71.
  • the power input unit 71 is connected to a commercial power source 300 as an external power source, receives power supply of about 100 to 240 V, converts it into a predetermined current A (DC 12 V, 1 A), and supplies it to the primary coil 21 a.
  • the primary coil 21a generates a magnetic field according to its shape, number of turns, and supplied current.
  • the resonance capacitor is connected to the primary side coil 21a and determines the resonance frequency of the magnetic field generated from the primary side coil 21a according to the relationship with the primary side coil 21a. The electromagnetic induction action from the primary side non-contact charging module 41 to the secondary side non-contact charging module 42 is performed by this resonance frequency.
  • the secondary side non-contact charging module 42 includes a secondary side coil 21b, a magnetic sheet 52, a resonance capacitor (not shown), a rectifier circuit 72, and a power output unit 82.
  • the secondary side coil 21b receives the magnetic field generated from the primary side coil 21a, converts the magnetic field into a predetermined current B by electromagnetic induction, and passes the secondary side via the rectifier circuit 72 and the power output unit 82. Output to the outside of the non-contact charging module 42.
  • the rectifier circuit 72 rectifies the predetermined current B, which is an alternating current, and converts it into a predetermined current C, which is a direct current (DC 5 V, 1.5 A).
  • the power output unit 82 is an external output unit of the secondary side non-contact charging module 42, and power is supplied to the electronic device 200 connected to the secondary side non-contact charging module 42 via the power output unit 82. Do.
  • both the primary side coil 21a of the primary side non-contact charging module 41 and the secondary side coil 21b of the secondary side non-contact charging module 42 are wound in a substantially rectangular shape. It need not be a coil. That is, as will be described in detail later, the other side (secondary non-contact charging module 42 for the primary non-contact charging module 41, primary non-contact charging module 41 for the secondary non-contact charging module 42) Whether or not a magnet is provided, the purpose is to stabilize the transmission efficiency. Therefore, a substantially rectangular coil may be used only on one side.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the non-contact charger according to the embodiment of the present invention.
  • the non-contact charger shown in FIG. 2 is shown so that the inside can be understood.
  • the non-contact charger 400 that transmits electric power using electromagnetic induction has a primary-side non-contact charging module 41 inside a case that constitutes its exterior.
  • the non-contact charger 400 has a plug 401 that plugs into an outlet 301 of a commercial power supply 300 installed indoors or outdoors. By inserting the plug 401 into the outlet 301, the non-contact charger 400 can be supplied with power from the commercial power source 300.
  • the non-contact charger 400 is installed on the desk 501 and the primary-side non-contact charging module 41 is disposed in the vicinity of the surface 402 of the non-contact charger 400 opposite to the desk surface. And the main plane of the primary side coil 21a in the primary side non-contact charge module 41 is arrange
  • the non-contact charger 400 may be installed on a wall surface. In this case, the non-contact charger 400 is disposed in the vicinity of the surface opposite to the wall surface side.
  • the primary side non-contact charging module 41 may include a magnet 30 a used for alignment with the secondary side non-contact charging module 42. In this case, it arrange
  • FIG. 3 is a diagram showing the primary side non-contact charging module in the embodiment of the present invention, and shows a case where the primary side coil is a substantially rectangular coil.
  • the primary side non-contact charging module 41 includes a primary side coil 21a in which a conductive wire is wound in a substantially rectangular shape and a magnetic sheet 51 provided so as to face the surface of the primary side coil 21a. .
  • the planar coil portion of the primary-side non-contact charging module 41 includes a primary coil 21a in which a conductor is wound outward so as to draw a vortex in a substantially rectangular shape on the surface, and 1 Terminals 22a and 23a are provided as current supply portions provided at both ends of the secondary coil 21a. That is, the terminals 22a and 23a serving as current supply units supply the current from the commercial power supply 300, which is an external power supply, to the primary coil 21a.
  • the primary coil 21a is obtained by winding a conducting wire in parallel on a plane, and a surface formed by the coil is called a coil surface.
  • the thickness direction is the direction in which the primary coil 21a and the magnetic sheet 51 are stacked.
  • the magnetic sheet 51 includes a flat portion 31a on which the primary coil 21a is placed, a central portion 32a in the central portion of the flat portion 31a and corresponding to the hollow area of the primary coil 21a, and the primary side. It is comprised from the linear recessed part 33a in which a part of lead wire of the coil 21a is inserted.
  • the central portion 32a has a convex shape, a flat shape, a concave shape, or a shape that is a through hole with respect to the flat portion 31a, and may be any shape. If it is a convex part shape, the magnetic flux of the primary side coil 21a can be strengthened.
  • a recessed part, a convex part, and a through-hole may be formed in the same shape and the same size as a hollow part, and may be formed in a different shape and a thing smaller than a hollow part.
  • the primary side coil 21a is wound outward from a substantially rectangular hollow portion of about 12 mm ⁇ 18 mm, and the rectangle formed by the outer end is about 18 mm ⁇ It is 23 mm. That is, the primary coil 21a is wound in a substantially rectangular donut shape.
  • substantially rectangular means that it may have round (curved part) in four corners.
  • the conducting wires are wound so as to leave a space between each other, the stray capacitance between the upper conducting wire and the lower conducting wire is reduced, and the AC resistance of the primary coil 21a can be kept small. Moreover, the thickness of the primary side coil 21a can be suppressed by winding so that space may be packed.
  • the primary side non-contact charging module 41 may include a magnet 30 a used for alignment with the secondary side non-contact charging module 42.
  • This is determined by the standard (WPC) to be circular, the diameter is 15.5 mm or less, and the like.
  • the magnet 30a has a coin shape and must be arranged so that the center thereof coincides with the winding center axis of the primary coil 21a. This is to reduce the influence of the magnet 30a on the primary coil 21a.
  • the first method for arranging the magnet 30a is to arrange the magnet 30a on the upper surface of the central portion 32a of the magnetic sheet 51. Further, as a second method of arranging the magnet 30a, there is a method of arranging the magnet 30a instead of the central portion 32a of the magnetic sheet 51. In the second method, since the magnet 30a is disposed in the hollow region of the primary coil 21a, the primary non-contact charging module 41 can be reduced in size.
  • the magnet 30a shown in FIG. 3 is unnecessary.
  • a magnet is provided in the hollow part of the primary side coil 21a or the secondary side coil 21b incorporated in at least one of the primary side non-contact charging module and the secondary side non-contact charging module. Accordingly, the magnet and the magnet or the magnet and the magnetic sheet 51 can be brought as close as possible, and at the same time, the primary side and secondary side coils can be brought close to each other.
  • the magnet is circular. In the present embodiment, the magnet has a diameter of about 15.5 mm (about 10 mm to 20 mm) and a thickness of about 1.5 to 2 mm.
  • a neodymium magnet is used, and the strength may be about 75 mT to 150 mT.
  • the distance between the coil of the primary side non-contact charging module and the coil of the secondary side non-contact charging module is about 2 to 5 mm, sufficient alignment can be achieved with such a magnet. .
  • the magnetic flux When a magnetic flux is generated between the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b for power transmission, if a magnet exists between and around the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b, the magnetic flux extends to avoid the magnet. Alternatively, the magnetic flux penetrating through the magnet becomes eddy current or heat generation in the magnet, resulting in loss. Furthermore, when the magnet is disposed in the vicinity of the magnetic sheet, the magnetic permeability of the magnetic sheet in the vicinity of the magnet is lowered. Therefore, the magnet 30a provided in the primary side non-contact charging module 41 reduces the L value of both the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b. As a result, the transmission efficiency between the non-contact charging modules decreases.
  • FIG. 4 is a detailed view showing the primary-side non-contact charging module in the embodiment of the present invention.
  • 4A is a top view of the primary side non-contact charging module
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA of the primary side non-contact charging module in FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line BB of the primary non-contact charging module in FIG. 4A when a linear recess is provided.
  • 4D is a cross-sectional view taken along the line BB of the primary non-contact charging module in FIG. 4A when a slit is provided.
  • 4A and 4B show a case where the magnet 30a is not provided. In addition, when provided, the magnet 30a shown with the dotted line is provided.
  • the primary side coil 21a extends from the winding start portion located in the central region of the primary side coil 21a to the terminal 23a. Is two steps in the thickness direction, and the remaining region is one step. At this time, the upper conductor and the lower conductor are wound so as to leave a space between each other, thereby reducing the stray capacitance between the upper conductor and the lower conductor, and the alternating current of the primary coil 21a. Resistance can be kept small.
  • the number of turns of the primary side coil 21a can be increased to increase the current flowing through the primary side coil 21a.
  • the conducting wire located in the upper stage and the conducting wire located in the lower stage are wound so as to close each other, thereby flowing the primary side coil 21a while suppressing the thickness of the primary side coil 21a.
  • the current can be increased.
  • the magnetic sheet 51 moves away from the secondary non-contact charging module 42 even though the primary coil 21a approaches the secondary non-contact charging module 42.
  • the influence of the magnet 30b when the secondary-side non-contact charging module 42 is provided with the magnet 30b can be suppressed. This also applies to the relationship between the magnet 30a of the primary-side non-contact charging module 41, the secondary-side coil 21b, and the magnetic sheet 52. The influence of the magnets 30a and 30b will be described later.
  • the primary coil 21a is formed by using a conducting wire having a circular cross section, but the conducting wire may be a conducting wire having a rectangular or polygonal cross section.
  • the conducting wire may be a conducting wire having a rectangular or polygonal cross section.
  • the primary side coil 21a is wound in one step rather than being wound in two steps in the thickness direction, and thus the AC resistance of the primary side coil 21a is lowered and the transmission efficiency can be increased. This is because when a conducting wire is wound in two stages, stray capacitance is generated between the upper conducting wire and the lower conducting wire. Therefore, it is better to wind as many portions as possible in one stage, rather than winding the entire primary coil 21a in two stages. Further, the primary side non-contact charging module 41 can be thinned by winding in one stage. In addition, when the planar coil part 2 is comprised with two conducting wires, since two conducting wires are electrically connected by solder etc. in the terminal 22a and 23a part, two conducting wires are one thick conducting wire.
  • the two conducting wires may be wound in parallel with the coil surface, or may be wound in parallel with the coil surface. That is, in the case of being parallel to the coil surface, the two conducting wires are planar and are wound around the same center, and one conducting wire is sandwiched between the other conducting wires in the radial direction.
  • thickness can be restrained by electrically joining two conducting wires in terminal 22a and 23a part, and making it function like one conducting wire. That is, for example, the cross-sectional area of a conducting wire having a diameter of 0.25 mm can be obtained by preparing two conducting wires having a diameter of 0.18 mm.
  • the thickness of one turn of the primary coil 21a is 0.25 mm
  • the radial width of the primary coil 21a is 0.25 mm.
  • the thickness direction is the direction in which the primary coil 21a and the magnetic sheet 51 are stacked. Further, the primary coil 21a may be overlapped in two steps in the thickness direction only in a portion on the center side, and the remaining outer portion may be one step.
  • the thickness of the primary side non-contact charging module 41 increases, but the current flowing through the primary side coil 21a can be increased by effectively increasing the cross-sectional area of the conducting wire. A sufficient number of windings can be easily secured.
  • the primary side coil 21a is constituted by a conducting wire of about 0.18 to 0.4 mm, and among these, the primary side coil 21a of the primary side non-contact charging module 41 has a value of 0. A conductor of 25 to 0.35 mm is preferred.
  • the alternating current resistance of the primary side coil 21a is low, the loss in the primary side coil 21a is prevented, and by improving the L value, the power transmission efficiency of the primary side non-contact charging module 41 depending on the L value is improved. Can be improved.
  • the terminals 22a and 23a may be close to each other or may be arranged apart from each other, the primary side non-contact charging module 41 is easier to mount if they are arranged apart.
  • the magnetic sheet 51 is provided in order to improve the power transmission efficiency of non-contact charging using electromagnetic induction, and includes a flat portion 31a and a central portion 32a that is the center and corresponds to the inner diameter of the coil 21. And a linear recess 33a.
  • the magnet 30a for positioning the primary side non-contact charging module 41 and the secondary side non-contact charging module 42 is provided, the magnet 30a may be disposed above the center portion 32a, or the magnet 30a may be positioned at the center portion. You may arrange
  • the magnetic sheet 51 a Ni—Zn ferrite sheet, a Mn—Zn ferrite sheet, a Mg—Zn ferrite sheet, or the like can be used.
  • the magnetic sheet 51 may have a single-layer configuration, a configuration in which a plurality of the same materials are stacked in the thickness direction, or a plurality of different magnetic sheets 51 may be stacked in the thickness direction. It is preferable that at least the magnetic permeability is 250 or more and the saturation magnetic flux density is 350 mT or more.
  • An amorphous metal can also be used as the magnetic sheet 51.
  • a ferrite sheet is used as the magnetic sheet 51, it is advantageous in that the AC resistance of the primary coil 21a is reduced.
  • an amorphous metal is used as the magnetic sheet, the primary coil 21a can be made thin.
  • the magnetic sheet 51 used for the primary-side non-contact charging module 41 has a size that fits within about 50 ⁇ 50 mm and has a thickness of about 3 mm or less.
  • the magnetic sheet 51 is approximately square 20 mm ⁇ 25 mm. It is desirable that the magnetic sheet 51 be formed to be approximately the same or larger than the outer peripheral end of the primary coil 21a.
  • the shape of the magnetic sheet 51 may be a circle, a rectangle, a polygon, a rectangle having a large curve at each corner, or a polygon.
  • the linear recess 33a or the slit 34a accommodates the lead wire from the coil winding start portion (the innermost portion of the coil) to the terminal. Thereby, it can prevent that the conducting wire from the winding start part of a coil to a terminal overlaps in the thickness direction of the primary side coil 21a, and can suppress the thickness of the primary side non-contact charge module 41. Further, by setting the size of the linear recess 33a or the slit 34a to the minimum size for accommodating the conductive wire from the coil winding start portion to the terminal, the generation of leakage magnetic flux can be suppressed. Further, as shown in FIG.
  • the linear recess 33a or the slit 34a is not limited to be extended in parallel with the long side direction of the primary coil 21a, but may be parallel to the short side direction. Further, the cross-sectional shape of the linear recess 33a is not limited to a rectangular shape, and may be an arc shape or rounded.
  • the linear recess 33a or the slit 34a is substantially perpendicular to the end of the magnetic sheet 51 where one end intersects, and is formed so as to overlap the outer shape of the hollow portion (side of the substantially rectangular hollow portion).
  • the length of the linear recess 33a or the slit 34a depends on the size of the hollow portion of the coil 21, and is about 5 mm to 15 mm in this embodiment.
  • the linear recess 33a or the slit 34a may be formed at a portion where the winding start portion of the primary coil 21a at the end of the magnetic sheet 51 and the end of the hollow portion are closest. Thereby, the formation area of the linear recessed part 33a or the slit 34a can be suppressed to the minimum, and the transmission efficiency of a non-contact electric power transmission apparatus can be improved.
  • the length of the linear recess 33a or the slit 34a is about 5 mm to 10 mm. In either arrangement, the inner end of the linear recess 33a or the slit 34a is connected to the center 32a.
  • the linear recess 33a or the slit 34a may be arranged in another manner. That is, it is desirable that the primary side coil 21a has a one-stage structure as much as possible. In that case, all the turns in the radial direction of the primary side coil 21a have a one-stage structure, or one part has a one-stage structure. It can be considered that the portion has a two-stage structure. Accordingly, one of the terminals 22a and 23a can be pulled out from the outer periphery of the primary coil 21a, but the other must be pulled out from the inside.
  • the magnetic sheet 51 is not provided with a through hole or a slit, so that magnetic flux can be prevented from leaking and the power transmission efficiency of the primary side non-contact charging module 41 can be improved.
  • the slit 34a the magnetic sheet 51 can be easily formed.
  • the linear recessed part 33a it is not limited to the linear recessed part 33a in which a cross-sectional shape becomes a square shape, You may be circular arc shape or round.
  • the secondary side coil 21b in the secondary side non-contact charging module 42 receives the magnetic field generated by the primary side non-contact charging module 41 and performs power transmission.
  • a magnetic field may be generated so as to avoid the magnets, or the magnetic field trying to pass through the magnets may be lost.
  • the magnetic permeability of the magnetic sheet 51 near the magnet is reduced. That is, the magnetic field is weakened by the magnet. Therefore, in order to minimize the magnetic field weakened by the magnet, measures such as separating the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b from the magnet and providing the magnetic sheet 51 which is not easily affected by the magnet are provided. It is necessary to take.
  • the primary-side non-contact charging module 41 is used in a fixed terminal as a transmission side for power supply, there is a margin in the occupied space in the fixed terminal of the primary-side non-contact charging module 41. Moreover, since the electric current which flows into the primary side coil 21a of the primary side non-contact charge module 41 is large, the insulation of the magnetic sheet 51 becomes important. This is because if the magnetic sheet 51 is conductive, a large current flowing through the primary side coil 21 a may be transmitted to other components via the magnetic sheet 51.
  • the magnetic sheet 51 mounted on the primary side non-contact charging module 41 has a thickness of 400 ⁇ m or more (preferably 600 ⁇ mq to 1 mm), magnetic properties of permeability 250 or more, and magnetic flux saturation density 350 mT.
  • a Ni—Zn ferrite sheet (insulating) having the above is preferable.
  • a Mn—Zn ferrite sheet (conductive) can be used instead of the Ni—Zn ferrite sheet.
  • the L value of the primary-side coil 21a of the primary-side non-contact charging module 41 varies greatly depending on whether or not the magnet 30a is used for alignment. That is, the magnetic flux between the primary side and the secondary side non-contact charging module is hindered by the presence of the same magnet in the magnet 30a or the secondary side non-contact charging module 42 in the primary side non-contact charging module 41, When there is a magnet, the L value of the primary side coil 21a of the primary side non-contact charging module 41 is significantly reduced.
  • the magnetic sheet 51 is preferably a high saturation magnetic flux density material (saturation magnetic flux density is 350 mT or more).
  • the high saturation magnetic flux density material does not easily saturate the magnetic flux even if the magnetic field becomes strong, it is difficult to be affected by the magnet 30a, and the L value of the coil 21 when the magnet 30a is used can be improved. Therefore, the magnetic sheet 51 can be thinned.
  • the magnetic permeability of the magnetic sheet 51 is at least 250 or more, preferably 350 or more.
  • the L value depends on the thickness of the magnetic sheet 51, but the ferrite sheet thickness may be 400 ⁇ m or more. Note that the ferrite sheet can reduce the AC resistance of the coil 21 as compared to an amorphous metal magnetic sheet, but may be an amorphous metal. By using such a magnetic sheet 51, even if at least one of the primary-side non-contact charging module 41 and the secondary-side non-contact charging module 42 includes a magnet, the primary-side non-contact charging module 41 is a magnet. Can reduce the effect of.
  • the ferrite sheet is Mn—Zn, it is possible to further reduce the thickness. That is, according to the standard (WPC), the frequency of electromagnetic induction is determined to be about 100 kHz to 200 kHz (for example, 120 kHz). In such a low frequency band, the Mn—Zn ferrite sheet has high efficiency. Note that the Ni—Zn ferrite sheet is highly efficient at high frequencies.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the mobile terminal device in the embodiment of the present invention, and is a perspective view when the mobile terminal device is disassembled.
  • the portable terminal device 520 includes a liquid crystal panel 521, operation buttons 522, a substrate 523, a battery pack 524, and the like.
  • a mobile terminal device 520 that receives power using electromagnetic induction is a mobile terminal device that includes a casing 525 that forms the exterior thereof and a secondary non-contact charging module 42 inside the casing 526.
  • a substrate 523 provided with a control unit is provided on the back surface of the substrate 523.
  • the battery pack 524 is connected to the substrate 523 and supplies power to the substrate 523.
  • a secondary-side non-contact charging module 42 is provided on the back surface of the battery pack 524, that is, on the housing 526 side.
  • the secondary side non-contact charging module 42 is supplied with electric power from the primary side non-contact charging module 41 by electromagnetic induction action, and charges the battery pack 524 using the electric power.
  • the secondary side non-contact charging module 42 includes a secondary side coil 21b, a magnetic sheet 52, and the like.
  • the secondary coil 21b and the magnetic sheet 52 are arranged in this order from the case 526 side, so that the influence of the substrate 523 and the battery pack 524 is reduced and the power supply is received. Can do.
  • the secondary side non-contact charging module 42 may have a magnet 30b used for alignment with the primary side non-contact charging module 41. In this case, it arrange
  • the magnet 30b has a coin shape and must be arranged so that the center thereof coincides with the winding center axis of the primary coil 21a. This is to reduce the influence of the magnet 30a on the primary coil 21a.
  • the magnet 30b provided in the secondary side non-contact charging module 42 reduces the L value of both the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b.
  • the first method for arranging the magnet 30b is to arrange the magnet 30b on the upper surface of the central portion 32b of the magnetic sheet 52. Further, as a second method of arranging the magnet 30b, there is a method of arranging the magnet 30b instead of the central portion 32b of the magnetic sheet 52. In the second method, since the magnet 30b is disposed in the hollow region of the secondary coil 21b, the secondary non-contact charging module 42 can be reduced in size.
  • the magnet 30b is unnecessary.
  • FIG. 6 is a diagram showing the secondary side non-contact charging module in the embodiment of the present invention, and shows a case where the secondary side coil is a circular coil.
  • FIG. 7 is a detailed view showing the secondary side non-contact charging module in the embodiment of the present invention.
  • 7A is a top view of the secondary side non-contact charging module
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the secondary side non-contact charging module taken along the line CC in FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a DD cross-sectional view of the secondary side non-contact charging module in FIG. 7A in the case where a linear recess is provided.
  • FIG. 7D is a DD cross-sectional view of the secondary-side non-contact charging module in FIG. 7A when a slit is provided.
  • 7A and 7B show a case where the magnet 30b is not provided. In addition, when provided, the magnet 30b shown with the dotted line is provided.
  • FIGS. 3 to 4 for explaining the primary side non-contact charging module 41
  • the configuration of the secondary side non-contact charging module 42 is basically the same as that of the primary side non-contact charging module 41.
  • the size and material of the magnetic sheet 52 are different from the primary side non-contact charging module 41 in the secondary side non-contact charging module 42.
  • the magnetic sheet 52 used for the secondary-side non-contact charging module 42 has a size that fits within about 40 ⁇ 40 mm and has a thickness of about 2 mm or less.
  • the sizes of the magnetic sheet 51 used for the primary side non-contact charging module 41 and the magnetic sheet 52 used for the secondary side non-contact charging module 42 are different. This is because the secondary side non-contact charging module 42 is generally mounted on a portable electronic device, and downsizing is required.
  • the magnetic sheet 52 is approximately 20 mm ⁇ 25 mm having a substantially square shape. It is desirable that the magnetic sheet 52 be formed to be approximately the same or larger than the outer peripheral end of the secondary coil 21b.
  • the shape of the magnetic sheet 51 may be a circle, a rectangle, a polygon, a rectangle having a large curve at each corner, or a polygon.
  • the secondary-side non-contact charging module 42 is used in a mobile terminal as a power supply receiving side, there is no room in the occupied space of the secondary-side non-contact charging module 42 in the mobile terminal. Further, since the current flowing through the secondary side coil 21b of the secondary side non-contact charging module 42 is small, the insulating property of the magnetic sheet 52 is not so required.
  • the secondary side coil 21b is constituted by a conducting wire of about 0.18 to 0.35 mm, and among these, the secondary side coil 21b of the secondary side non-contact charging module 42 is set to 0. A conducting wire of about 18 to 0.30 mm is suitable.
  • the mounted electronic device When the mounted electronic device is a mobile phone, it is often arranged between a case constituting the exterior of the mobile phone and a battery pack located inside the case.
  • a battery pack is an aluminum casing, it adversely affects power transmission. This is because an eddy current is generated in aluminum in a direction in which the magnetic flux generated by the coil is weakened, so that the magnetic flux of the coil is weakened. Therefore, it is necessary to provide the magnetic sheet 52 between the aluminum that is the exterior of the battery pack and the secondary coil 21b disposed on the exterior to reduce the influence on the aluminum.
  • the magnetic sheet 52 used for the secondary side non-contact charging module 42 has a high magnetic permeability and saturation magnetic flux density, and can increase the L value of the secondary side coil 21b as much as possible. is important.
  • any magnetic sheet having a magnetic permeability of 250 or more and a saturation magnetic flux density of 350 mT or more may be used similarly to the magnetic sheet 51.
  • it is a sintered body of Mn—Zn-based ferrite, preferably having a magnetic permeability of 1500 or more, a saturation magnetic flux density of 400 or more, and a thickness of about 400 ⁇ m or more.
  • Ni—Zn-based ferrite may be used, and if it has a magnetic permeability of 250 or more and a saturation magnetic flux density of 350 or more, power transmission with the primary side non-contact charging module 41 is possible.
  • the secondary coil 21b is also wound in a substantially rectangular shape, similar to the primary coil 21a. There are a case where positioning is performed by providing the magnet 30a in the primary side non-contact charging module 41 and a case where positioning is performed without the magnet 30a.
  • the diameter of the circular magnet 30a is 15.5 mm or less, and 15.5 mm in the present embodiment.
  • the relationship between the size of the magnet 30a and the size of the hollow portion of the secondary coil 21b will be described.
  • the magnet 30a is arrange
  • the same relationship is realized also when the magnet 30b is arrange
  • the magnet 30b corresponds to the magnet 30a
  • the primary-side non-contact charging module 41 corresponds to the secondary-side non-contact charging module 42.
  • a method of aligning the primary side non-contact charging module 41 and the secondary side non-contact charging module 42 for example, the following methods can be cited.
  • a method of performing physical (formal) forced alignment such as forming a protrusion on the charging surface of the charger and forming a recess on the secondary electronic device.
  • a method of performing alignment by attracting each other's magnets or one magnet and the other magnetic sheet by mounting magnets on at least one of the primary side and the secondary side.
  • a method in which the primary side automatically moves the primary side coil to the position of the secondary side coil by detecting the position of the secondary side coil.
  • a primary (charging) non-contact charging module using a magnet a primary (charging) non-contact charging module using a magnet.
  • the other non-contact charging module is provided for alignment with the other non-contact charging module.
  • a first means for aligning using a magnet and a second means for aligning without using a magnet both of which can be aligned with the other non-contact charging module and transmit power It is necessary to configure so as to be possible.
  • the magnetic permeability of the magnetic sheet 52 decreases due to the presence of the magnet 30a near the secondary side non-contact charging module 42 for alignment.
  • the magnetic permeability of the magnetic sheet 52 is most reduced in the portion close to the magnet 30a (generally around the central portion 32b), and the degree of decrease decreases (difficult to decrease) as the distance from the magnet 30a increases. Become).
  • the L value of the secondary coil 21b decreases. Therefore, a decrease in the L value can be suppressed by increasing the distance between the secondary coil 21b and the magnet 30a.
  • FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a primary side non-contact charging module and a secondary side non-contact charging module including a magnet.
  • 8A shows a case where a positioning magnet is used when the inner width of the coil is small
  • FIG. 8B shows a case where a positioning magnet is used when the inner width of the coil is large
  • FIG. 8C shows a case where the inner width of the coil is small.
  • FIG. 8D shows the case where the alignment magnet is not used when the inner width of the coil is large.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the inner diameter of the coil and the L value of the coil.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the inner diameter of the coil and the L value of the coil.
  • the secondary side coil 21b of the secondary side non-contact charge module 42 which performs electric power transmission with the primary side non-contact charge module 41 provided with the magnet 30a is demonstrated.
  • the description of the secondary side coil 21b related to the secondary side non-contact charging module 42 described below is based on the secondary side non-contact charging module 42 that performs power transmission with the secondary side non-contact charging module 42 including the magnet 30b. This also applies to the secondary coil 21b of the module 42.
  • the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b are opposed to each other. Of the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b, a magnetic field is also generated in the inner portions 211 and 212 to transmit power.
  • the inner portions 211 and 212 are opposed to each other. Further, the inner portions 211 and 212 are also portions close to the magnet 30a, and are easily affected by the magnet 30a. That is, when a magnetic flux is generated between the primary side coil and the secondary side coil for power transmission, if a magnet exists between and around the primary side coil and the secondary side coil, the magnetic flux extends to avoid the magnet. Alternatively, the magnetic flux penetrating through the magnet becomes eddy current or heat generation in the magnet, resulting in loss.
  • the magnet 30a provided in the primary side non-contact charging module 41 weakens the magnetic fluxes of the inner side portions 211 and 212 of the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b, and has an adverse effect. As a result, the transmission efficiency between the non-contact charging modules decreases. Therefore, in the case of FIG. 8A, the inner portions 211 and 212 that are easily affected by the magnet 30a are enlarged. On the other hand, in FIG. 8C in which no magnet is used, the L value increases because the number of turns of the secondary coil 21b is large.
  • the numerical value greatly decreases from the L value in FIG. 8C to the L value in FIG. 8A.
  • the non-contact charging module is mounted on a charger, an electronic device, or the like, it is necessary to reduce the size, and at the same time, it cannot be formed in a size larger than a certain size. Therefore, if the inner width of the primary side coil 21a and the secondary side coil 21b is increased to reduce the adverse effect from the magnet 30a, the number of turns decreases, and the L value itself decreases regardless of the presence or absence of the magnet. End up.
  • the number of turns of the secondary coil 21b is reduced to reduce the inner diameter of the secondary coil 21b.
  • the influence of the magnet 30a on the secondary coil 21b is reduced. That is, the L value of the secondary coil 21b is close to when the magnet 30a is used for positioning the primary side non-contact charging module 41 and the secondary side non-contact charging module 42 and when it is not used. Therefore, the resonance frequency when using the magnet 30a and when not using it is very close.
  • the result of FIG. 9 is the same as the L value of the primary side coil 21a of the primary side non-contact charging module 41 when the secondary side non-contact charging module 42 includes the magnet 30b.
  • the substantially rectangular hollow portion of the secondary coil 21b is configured such that the short side is shorter than the diameter of the circular magnet and the long side is longer than the diameter of the circular magnet. That is, since the maximum diameter of the magnet 30a is 15.5 mm, it is preferable that the long side is longer than 15.5 mm. Accordingly, even if the short side is shortened to 15.5 mm or less, the effect of the present application can be obtained for any magnet. This will be described in detail with reference to FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a positional relationship between a secondary coil wound in a rectangular shape, a secondary coil wound in a circular shape, and a magnet provided in the primary non-contact charging module.
  • 10A shows a rectangular case
  • FIG. 10B shows a circular case.
  • the length of the outer long side of the rectangular coil in FIG. 10A and the diameter of the outer diameter of the circular coil in FIG. 10B are the same n
  • the inner long side y of the rectangular coil and the inner circle of the circular coil are The diameters x are the same.
  • z is the inner short side of the rectangular coil.
  • the coil is the secondary side coil 21b provided in the secondary side non-contact charging module 42.
  • x In order to ensure a sufficient distance between the inner circle (the outer periphery of the hollow portion) of the circular coil 2d and the magnet 30a, x must be formed larger than m. As a result, the width is n in the vertical width, the horizontal width, and any direction of the circular coil. Further, the distance between the inner circle (the outer periphery of the hollow portion) of the circular coil 2d and the magnet 30a is (x ⁇ m) / 2 in FIG. 10B at any angle. That is, the distance between the inner circle of the circular coil 2d (the outer periphery of the hollow portion) and the magnet 30a is (xm) / 2 at the maximum or minimum.
  • the rectangular coil 2c of FIG. 10A a part of the long side portion overlaps the magnet 30a. That is, z ⁇ m.
  • the corner portion (four corners) and the short side portion of the rectangular coil 2c do not overlap (y> m).
  • the diagonal line of the rectangle is larger than y
  • the distance from the magnet 30a is larger than (xm) / 2 in the corner portion.
  • the magnetic flux is concentrated on the corner portion. This is because when the coil is wound so that corners are formed, the magnetic flux concentrates on the corners. Further, when the coil is wound in a rectangular shape, the magnetic flux concentrates on the short side rather than the long side.
  • the short side of the rectangular coil 2c in FIG. 10A has a shortest distance of (x ⁇ m) / 2 from the magnet 30a, and the distance is longer than that except for the center of the short side.
  • the rectangular coil 2c of FIG. 10A even if a part of the long side portion overlaps the magnet 30a, the corner (corner) where the magnetic flux is most concentrated is far from the magnet 30a, and the distance is (x ⁇ m) / 2 is larger. Further, the distance between the short side and the magnet 30a is (xm) / 2 or more. Thereby, although the rectangular coil 2c of FIG. 10A has achieved miniaturization compared with the circular coil 2d of FIG.
  • the term “substantially rectangular” means that the coil may be wound in a curved shape instead of a right angle at the four corners.
  • the curved shapes at the four corners may be within 30% of the sides of the respective hollow portions.
  • the curve of the hollow portion may be within 3.6 mm on both sides of the short side and within 5.4 mm on both sides of the long side.
  • the outer shape (outer edge shape) of the coil varies depending on the shape of the hollow portion. Note that when the curved shapes at the four corners are 30% or more of the sides of the respective hollow portions, the rectangular shape approaches an elliptical shape. Then, the phenomenon that the magnetic field concentrates on the corner (corner) weakens, and at the same time, the corner (corner) approaches the magnet 30a. Therefore, it is within 30%.
  • the L value is about 9.2 ⁇ H when the non-contact charging module of the power transmission partner is provided with a magnet, and the L value is about 26.4 ⁇ H when the magnet is not provided.
  • the rate is about 65%.
  • the L value is about 9.7 ⁇ H when the non-contact charging module of the power transmission partner is provided with a magnet, and the L value is about 27.6 ⁇ H when the magnet is not provided.
  • the L value reduction rate is about 65%. That is, the L value and the L value decrease rate are almost the same.
  • the substantially rectangular coil of FIG. 10A can reduce the area of the coil by about 15% while achieving almost the same characteristics as the circular coil of FIG. 10B. Further, when mounted on a portable terminal as shown in FIG. 10, the magnetic sheet 52 in FIG. 10A is often the magnetic sheet in FIG. Compared to 52, the area of the magnetic sheet 52 is reduced by about 30% or more.
  • the hollow portion is formed into a substantially square coil of 18 mm ⁇ 18 mm, the L-value raw material ratio is considerably reduced to about 56%, and a non-contact charging module having better power transmission efficiency can be obtained. However, this does not reduce the size of the contactless charging module.
  • the secondary side coil 21b by which the conducting wire was wound by the substantially rectangular shape, and the magnetic sheet 52 provided with the surface which mounts the flat secondary side coil 21b,
  • the secondary side coil 21b The substantially rectangular hollow portion has a short side shorter than the diameter of the circular magnet 30a and a long side longer than the diameter of the circular magnet 30a.
  • the secondary side non-contact charging module 42 are either in the case of using or not using the magnet 30a provided in the primary side non-contact charging module 41 which is the counterpart of power transmission. Even when the magnet 30a is used and when the magnet 30a is not used, the change in the L value of the secondary coil 21b provided in the secondary side non-contact charging module 42 is suppressed.
  • the secondary-side non-contact charging module 42 can be suitably used in any case of.
  • the technique and effect between the secondary side non-contact charging module 42 and the magnet 30a described above are also applied between the primary side non-contact charging module 41 and the magnet 30b.
  • the non-contact charging device means an electronic device including a non-contact charging module, a charger including a primary non-contact charging module, a portable terminal including a secondary non-contact charging module, an electronic device, and the like. There are various devices.
  • non-contact charging module the electronic device, and the non-contact charging device of the present invention
  • a non-contact charging module an electronic device, and a non-contact charging device that achieve stable power transmission efficiency while achieving miniaturization. Therefore, it is useful as a charging device on the transmitting side when charging a portable device such as a mobile phone, a portable audio, a portable computer, a digital camera, or a video camera.

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Abstract

 他方の非接触充電モジュールに備えられたマグネットを使用する場合、または使用しない場合のいずれの場合であっても、非接触充電モジュールに設けられたコイルのL値の変化を抑えて好適に使用でき、小型化を達成する非接触充電モジュール。このモジュールは、導線が略長方形に巻回された1次側コイル(21a)と、1次側コイル(21a)を載置する面を備えた磁性シート(51)と、を備え、1次側コイル(21a)の略長方形の中空部は、短辺が円形のマグネット(30a)の直径よりも短く、長辺が円形のマグネット(30a)の直径よりも長いことを特徴とする。

Description

非接触充電モジュール、電子機器、及び非接触充電機器
 本発明は、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、電子機器、及び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、充電器側に非接触充電モジュール、本体機器側に非接触充電モジュールを配し、両モジュー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、送信側非接触充電モジュールや受信側非接触充電モジュールとしての平面コイル部と、磁性シートとを備えることが考えられる。
特開2006-42519号公報
 この種の非接触充電モジュールは、1次側非接触充電モジュール(送信側非接触充電モジュール)の位置と2次側非接触充電モジュール(受信側非接触充電モジュール)の位置を正確に合わせる必要がある。これは、電力伝送のための電磁誘導を効率的に行うためである。
 1次側非接触充電モジュール(送信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(受信側非接触充電モジュール)を正確に位置合わせする方法の1つとして、マグネットを利用する方法がある。この一例として図11に示す方法がある。図11は、他方の非接触充電モジュール(例えば1次側非接触充電モジュール)に備えられたマグネットにより非接触充電モジュール(例えば2次側非接触充電モジュール)が位置合わせされる様子を示す図である。これは、1次側非接触充電モジュールもしくは2次側非接触充電モジュールの少なくとも一方にマグネットを搭載することで、お互いのマグネットもしくは一方のマグネットと他方の磁性シートとが引き付けあって位置合わせを行う方法である。
 また、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を正確に位置合わせする他の方法として、マグネットを利用しないで位置合わせをする方法がある。
 例えば、1次側非接触充電モジュールを搭載した充電器の充電面に凸部、2次側非接触充電モジュールを搭載した電子機器に凹部を形成しはめ込むといった、物理的(形状的)に強制的な位置合わせを行う方法である。また、1次側非接触充電モジュールが2次側非接触充電モジュールのコイルの位置を検出することで、1次側非接触充電モジュールのコイルを自動的に2次側非接触充電モジュールのコイルの位置まで移動させる方法である。また充電器に多数のコイルを備えることで、携帯機器が充電器の充電面のどこにおいても充電可能とする方法である。
 しかしながら、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マグネットを使用する場合と、使用しない場合とでは、それぞれの非接触充電モジュールに設けられたコイルのL値が大きく変化する。電力伝送のための電磁誘導は、それぞれの非接触充電モジュールに設けられたコイルのL値を利用して、その共振周波数が決定される。
 そのため、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マグネットを使用する場合と使用しない場合とでは、非接触充電モジュールを共用しにくいという問題があった。
 そこで、本発明の目的は、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際して、電力伝送の相手側である他方の非接触充電モジュールに備えられたマグネットを使用する場合、または使用しない場合のいずれの場合であっても、非接触充電モジュールに設けられたコイルのL値の変化を抑え、マグネットを使用する場合とマグネットを使用しない場合のいずれの場合でも好適に使用でき、小型化を達成する非接触充電モジュール、電子機器、及び非接触充電機器を提供することである。
 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の位置合わせに際し、前記他方の非接触充電モジュールに備えられた円形のマグネットを利用して位置合わせを行う場合と、前記円形のマグネットを利用しないで位置合わせを行う場合と、のどちらの場合であっても前記他方の非接触充電モジュールと位置合わせ可能な非接触充電モジュールにおいて、導線が略長方形に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部を載置する面を備えた磁性シートと、を備え、前記平面コイル部の略長方形の中空部は、短辺が前記円形のマグネットの直径よりも短く、長辺が前記円形のマグネットの直径よりも長い構成とした。
 本発明によれば、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際して、電力伝送の相手側である他方の非接触充電モジュールに備えられたマグネットを使用する場合、または使用しない場合のいずれの場合であっても、非接触充電モジュールに設けられたコイルのL値の変化を抑え、マグネットを使用する場合とマグネットを使用しない場合のいずれの場合でも好適に使用でき、小型化が達成された非接触充電モジュール及びこれを用いた非接触充電機器を提供することができる。
本発明の実施の形態における非接触電力伝送機器を示すブロック図 本発明の実施の形態における非接触充電器の構成を示す図 本発明の実施の形態における1次側非接触充電モジュールを示す図 本発明の実施の形態における1次側非接触充電モジュールを示す詳細図 本発明の実施の形態における携帯端末機器の構成を示す図 本発明の実施の形態における2次側非接触充電モジュールを示す図 本発明の実施の形態における2次側非接触充電モジュールを示す詳細図 マグネットを備える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関係を示す図 コイルの内径とコイルのL値との関係を示す図 長方形に巻回した2次側コイル及び円形に巻回した2次側コイルと1次側非接触充電モジュールに備えられたマグネットとの位置関係を示す図 他方の非接触充電モジュール(例えば1次側非接触充電モジュール)に備えられたマグネットにより非接触充電モジュール(例えば2次側非接触充電モジュール)が位置合わせされる様子を示す図
 (実施の形態)
 以下、本発明の実施の形態について図面をもちいて説明する。
〔非接触充電システムに関して〕
 図1は、本発明の実施の形態における非接触電力伝送機器を示すブロック図である。
 非接触電力伝送機器は、1次側非接触充電モジュール41(送信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42(受信側非接触充電モジュール)とから構成され、電磁誘導作用を利用して1次側非接触充電モジュール41から2次側非接触充電モジュール42に電力伝送が行われる。この非接触電力伝送機器は、約5W以下の電力伝送に使用される。また、電力伝送の周波数は約110~205kHzである。1次側非接触充電モジュール41は例えば充電器に搭載され、2次側非接触充電モジュール42は例えば携帯電話、デジタルカメラ、PC等に搭載される。
 1次側非接触充電モジュール41は、1次側コイル21a、磁性シート51、共振コンデンサ(図示せず)、電力入力部71を備えて構成される。電力入力部71は、外部電源としての商用電源300に接続されて100~240V程度の電力供給を受け、所定電流A(直流12V、1A)に変換して1次側コイル21aに供給する。1次側コイル21aは、その形状、巻数及び供給を受けた電流に応じた磁界を発生させる。共振コンデンサは、1次側コイル21aに接続され、1次側コイル21aとの関係により1次側コイル21aから発生させる磁界の共振周波数を決定する。1次側非接触充電モジュール41から2次側非接触充電モジュール42に対する電磁誘導作用は、この共振周波数により行われる。
 一方、2次側非接触充電モジュール42は、2次側コイル21b、磁性シート52、共振コンデンサ(図示せず)、整流回路72、電力出力部82から構成される。2次側コイル21bは、1次側コイル21aから発生した磁界を受けて、その磁界を電磁誘導作用により所定電流Bに変換して、整流回路72、電力出力部82を介して、2次側非接触充電モジュール42の外部に出力する。整流回路72は、交流電流である所定電流Bを整流して直流電流である所定電流C(直流5V、1.5A)に変換する。また、電力出力部82は2次側非接触充電モジュール42の外部出力部であり、この電力出力部82を介して、2次側非接触充電モジュール42に接続される電子機器200に電力供給を行う。
 なお、図1に示すように、1次側非接触充電モジュール41の1次側コイル21a及び2次側非接触充電モジュール42の2次側コイル21bの双方ともが略長方形に巻回された平面コイルである必要はない。すなわち、後で詳しく説明するが、相手側(1次側非接触充電モジュール41にとっては2次側非接触充電モジュール42、2次側非接触充電モジュール42にとっては1次側非接触充電モジュール41)にマグネットが備えられていても備えられていなくても、伝送効率を安定させることを目的としているため、一方にのみ略長方形コイルを用いても良い。
〔非接触充電器及び1次側非接触充電モジュールについて〕
 次に、1次側非接触充電モジュール41を非接触充電器に搭載する場合について説明する。
 図2は、本発明の実施の形態における非接触充電器の構成を示す図である。なお、図2に示す非接触充電器は、その内部が分かるように示したものである。
 電磁誘導作用を利用して電力を送信する非接触充電器400は、その外装を構成するケースの内部に1次側非接触充電モジュール41を有する。
 非接触充電器400は、屋内もしくは屋外に設置された商用電源300のコンセント301に差し込むプラグ401を有する。このプラグ401をコンセント301に差し込むことによって、非接触充電器400は商用電源300から電力供給を受けることができる。
 非接触充電器400は机上501に設置され、1次側非接触充電モジュール41は非接触充電器400の机面側とは反対側の面402の近傍に配置される。そして、1次側非接触充電モジュール41における1次側コイル21aの主平面を、非接触充電器400の机面側とは反対側の面402に平行に配置する。このようにすることで、2次側非接触充電モジュール42を搭載した電子機器の電力受信作業エリアを確保することができる。なお、非接触充電器400は壁面に設置されてもよく、この場合、非接触充電器400は壁面側とは反対側の面の近傍に配置される。
 また、1次側非接触充電モジュール41は、2次側非接触充電モジュール42との位置合わせに用いるマグネット30aを有する場合がある。この場合、1次側コイル21aの中央領域に位置する中空部に配置される。
 次に、1次側非接触充電モジュール41について説明する。
 図3は、本発明の実施の形態における1次側非接触充電モジュールを示す図であり、1次側コイルが略長方形コイルの場合を示す。
 1次側非接触充電モジュール41は、導線が略長方形に渦巻き状に巻回された1次側コイル21aと、1次側コイル21aの面に対向するように設けられた磁性シート51とを備える。
 図3に示すとおり、1次側非接触充電モジュール41の平面コイル部は、面上で略長方形状に渦を描くように外方向に向けて導電体を巻いた1次側コイル21aと、1次側コイル21aの両端に設けられた電流供給部としての端子22a、23aを備える。すなわち、電流供給部としての端子22a、23aは、外部電源である商用電源300からの電流を1次側コイル21aに供給する。1次側コイル21aは導線を平面上で平行に巻きまわしたものであり、コイルによって形成された面をコイル面と呼ぶ。なお、厚み方向とは、1次側コイル21aと磁性シート51との積層方向である。
 また、磁性シート51は、1次側コイル21aを載置する平坦部31aと、平坦部31aの中心部にあって1次側コイル21aの中空領域内に相当する中心部32aと、1次側コイル21aの引き出し線の一部が挿入される直線凹部33aとから構成されている。中心部32aは、平坦部31aに対して凸部形状、平坦形状、凹部形状、貫通孔である形状となり、いずれであってもよい。凸部形状であれば、1次側コイル21aの磁束を強めることができる。平坦であれば、製造しやすく1次側コイル21aを載置しやすい上、後述する位置合わせのマグネットの影響と1次側コイル21aのL値のバランスをとることができる。凹部形状、貫通孔に関しては、位置合わせのためのマグネットの影響を抑えることができる。すなわち、物理的に2次側非接触充電モジュール42に設けられたマグネット30bと磁性シート51との距離を離すことができる。それによって、磁性シート51がマグネット30bによって飽和し、透磁率が減少することを防ぐ。従って、マグネット30bの有無によって1次側コイル21aのL値が変化するのを防ぐことができる。また、凹部や凸部、貫通孔は、中空部と同形状、同じサイズに形成してもよいし、異なる形状で、中空部よりも小さなものに形成しても良い。
 本実施の形態における1次側非接触充電モジュール41では、1次側コイル21aは約12mm×18mmの略長方形の中空部から外に向かって巻回され、外端が形成する長方形は約18mm×23mmとなっている。すなわち、1次側コイル21aは略長方形のドーナツ形状に巻回されている。なお、略長方形とは、四隅にアール(曲線部)を有する場合があることを意味する。
 また、導線はお互いに空間を空けるように巻回されることによって、上段の導線と下段の導線との間の浮遊容量が小さくなり、1次側コイル21aの交流抵抗を小さく抑えることができる。また、空間を詰めるように巻回されることによって、1次側コイル21aの厚みを抑えることができる。
 また、1次側非接触充電モジュール41は、2次側非接触充電モジュール42との位置合わせに用いるマグネット30aを有する場合がある。これは、規格(WPC)によって、円形であること、直径が15.5mm以下であること等が定められている。マグネット30aはコイン形状をしており、その中心が1次側コイル21aの巻回中心軸と一致するように配置されなければならない。これは、1次側コイル21aに対するマグネット30aの影響を軽減させるためである。マグネット30aを備える場合は、マグネット30aよりも大きな中空部を備えることが好ましい。
 1次側非接触充電モジュール41がマグネット30aを有する場合、マグネット30aを配置する1番目の方法として、マグネット30aを磁性シート51の中心部32aの上面に配置する方法がある。また、マグネット30aを配置する2番目の方法として、マグネット30aを磁性シート51の中心部32aの代わりに配置する方法がある。2番目の方法では、マグネット30aが1次側コイル21aの中空領域に配置されるため、1次側非接触充電モジュール41を小型化できる。
 なお、1次側非接触充電モジュール41と2次側非接触充電モジュール42の位置合わせにマグネットを利用しない場合は、図3に示すマグネット30aは必要ない。
 ここで、マグネットが非接触充電モジュールの電力伝送効率に与える影響について説明する。一般的に、マグネットは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少なくとも一方において、内蔵される1次側コイル21aまたは2次側コイル21bの中空部の中に設けられる。これにより、マグネットとマグネットまたはマグネットと磁性シート51をなるべく近接させることができると同時に、1次側及び2次側のコイルを近接させることができる。マグネットは円形である。本実施の形態においてはマグネットの直径は約15.5mm(約10mm~20mm)であり、厚みは約1.5~2mm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。
 電力伝送のために1次側コイル21aと2次側コイル21bとの間に磁束が発生している際、その間や周辺にマグネットが存在すると磁束はマグネットを避けるように伸びる。もしくは、マグネットの中を貫く磁束はマグネットの中で渦電流や発熱となり、損失となる。更に、マグネットが磁性シートの近傍に配置されることによって、マグネット近傍の磁性シートの透磁率が低下してしまう。従って、1次側非接触充電モジュール41に備えられたマグネット30aは、1次側コイル21a及び2次側コイル21b双方のL値を低下させてしまう。その結果、非接触充電モジュール間の伝送効率が低下してしまう。
 図4は、本発明の実施の形態における1次側非接触充電モジュールを示す詳細図である。図4Aは1次側非接触充電モジュールの上面図、図4Bは図4Aにおける1次側非接触充電モジュールのA-A断面図である。図4Cは、直線凹部を設けた場合の図4Aにおける1次側非接触充電モジュールのB-B断面図である。図4Dは、スリットを設けた場合の図4Aにおける1次側非接触充電モジュールのB-B断面図である。なお、図4A,図4Bは、マグネット30aを備えない場合を示している。なお、備える場合には、点線で示したマグネット30aを備える。
 1次側コイル21aは、1次側非接触充電モジュール41が装着される非接触充電器400の薄型化を達成するため、1次側コイル21aの中心領域に位置する巻始め部分から端子23aまでを厚さ方向に2段とし、残りの領域を1段とした。このとき、上段の導線と下段の導線どうしがお互いに空間を空けるように巻回されることによって、上段の導線と下段の導線との間の浮遊容量が小さくなり、1次側コイル21aの交流抵抗を小さく抑えることができる。
 また、導線を積層して1次側コイル21aを1次側非接触充電モジュール41の厚み方向に伸ばす場合、1次側コイル21aの巻き数を増やして1次側コイル21aに流す電流を増加できる。導線を積層する際、上段に位置する導線と下段に位置する導線がお互いの空間を詰めるように巻回されることにより、1次側コイル21aの厚みを抑えつつ、1次側コイル21aに流す電流を増加できる。更に、導線を厚み方向に積層することによって、1次側コイル21aは2次側非接触充電モジュール42に近づくにも関わらず、磁性シート51は2次側非接触充電モジュール42から遠ざかるため、2次側非接触充電モジュール42にマグネット30bが備えられた場合のマグネット30bの影響を抑えることができる。また、これは、1次側非接触充電モジュール41のマグネット30aと、2次側コイル21b及び磁性シート52との関係にも適用される、また、マグネット30a、30bの影響については、後述する。
 なお、本実施の形態では、断面形状が円形状の導線を使用して1次側コイル21aを形成しているが、使用する導線は断面形状が矩形や多角形の導線でもよい。断面形状が円形状の導線を使用する場合、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、1次側コイル21aの交流抵抗を小さく抑えることができる。
 また、1次側コイル21aは厚さ方向に2段で巻回するよりも1段で巻回した方が1次側コイル21a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、1次側コイル21a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よい。また、1段で巻回することによって、1次側非接触充電モジュール41として薄型化することができる。なお、2本の導線で平面コイル部2を構成する場合は、端子22a、23a部分において2本の導線が半田等によって電気的に接続されているので、2本の導線が1本の太い導線のようにしてもよい。2本の導線は、コイル面に対して平行に並んで巻回されてもよいし、コイル面に対して垂直に並んで巻回されてもよい。すなわち、コイル面に平行の場合は、2本の導線は平面状で同一の中心を軸に巻きまわされており、半径方向において一方の導線が他方の導線に挟まれるようになる。このように2本の導線を端子22a、23a部分で電気的に接合して1本の導線のように機能させることによって、同じ断面積であっても厚みを抑えることができる。すなわち、例えば、直径が0.25mmの導線の断面積を、直径が0.18mmの導線を2本準備することによって得ることができる。従って、直径が0.25mmの導線1本であると、1次側コイル21aの1ターンの厚みは0.25mm、1次側コイル21aの半径方向の幅は0.25mmであるが、直径が0.18mmの導線2本であると、1次側コイル21aの1ターンの厚みは0.18mm、半径方向の幅は0.36mmとなる。なお、厚み方向とは、1次側コイル21aと磁性シート51との積層方向である。また、1次側コイル21aは中心側の一部分のみ、厚さ方向に2段に重なっており、残りの外側の部分は1段としてもよい。また、コイル面に垂直の場合は、1次側非接触充電モジュール41の厚みが増加するが、導線の断面積が事実上増加することで1次側コイル21aを流れる電流を増加させることができ、十分な巻き数も容易に確保することができる。なお、本実施の形態では、約0.18~0.4mmの導線により1次側コイル21aを構成しており、その中でも1次側非接触充電モジュール41の1次側コイル21aには0.25~0.35mmの導線が好適である。
 なお、1次側コイル21aの交流抵抗が低いことで1次側コイル21a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1次側非接触充電モジュール41の電力伝送効率を向上させることができる。
 なお、端子22a、23a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1次側非接触充電モジュール41を実装しやすい。
 磁性シート51は、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ために設けたものであって、平坦部31aと、中心であってコイル21の内径に相当する中心部32aと、直線凹部33aとを備える。また、1次側非接触充電モジュール41と2次側非接触充電モジュール42の位置合わせのマグネット30aを設ける場合、マグネット30aを中心部32aの上方に配置してもよいし、マグネット30aを中心部32aの代わりに配置してもよい。
 また、磁性シート51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等を使うことができる。磁性シート51は、単層構成としてもよいし、同一材料を厚み方向に複数枚積層した構成でもよいし、異なる磁性シート51を厚み方向に複数枚積層してもよい。少なくとも、透磁率が250以上、飽和磁束密度が350mT以上のものであると好ましい。
 また、アモルファス金属も磁性シート51として用いることができる。磁性シート51としてフェライトシートを使用する場合は1次側コイル21aの交流抵抗を低下させる点で有利となり、磁性シートとしてアモルファス金属を使用する場合は1次側コイル21aを薄型化することができる。
 1次側非接触充電モジュール41に用いる磁性シート51は、約50×50mm以内の大きさに収まる程度のサイズであり、厚みは約3mm以下である。本実施の形態において磁性シート51は略正方形の約20mm×25mmである。磁性シート51が1次側コイル21aの外周端よりも同程度または大きく形成されることが望ましい。また、磁性シート51の形状は、円形、矩形、多角形、四隅に大きな曲線を備える矩形及び多角形でもよい。
 直線凹部33aまたはスリット34aは、コイルの巻始め部分(コイルの最内側部分)から端子までの導線を収納する。これにより、コイルの巻始め部分から端子までの導線が1次側コイル21aの厚み方向に重なることを防ぎ、1次側非接触充電モジュール41の厚みを抑えることができる。また、直線凹部33aまたはスリット34aの大きさをコイルの巻始め部分から端子までの導線を収納する最小限の大きさにすることで、漏れ磁束の発生を抑えることができる。また、図3のように、直線凹部33aまたはスリット34aを1次側コイル21aの長辺方向と平行に延ばすことに限定されず、短辺方向に平行であってもよい。また、直線凹部33aの断面形状は、矩形状に限定されず、円弧状や、丸みを帯びてもよい。
 直線凹部33aまたはスリット34aはその一端が交わる磁性シート51の端部とほぼ垂直であり、中空部の外形(略長方形の中空部の辺)と重なるように形成される。このように直線凹部33aまたはスリット34aを形成することによって、導線の巻始めを折り曲げることなく端子22a、23aを形成することができる。直線凹部33aまたはスリット34aの長さはコイル21の中空部の大きさに依存し、本実施の形態の場合、約5mm~15mmとしている。
 また、直線凹部33aまたはスリット34aは、磁性シート51の端部と中空部の端部にある1次側コイル21aの巻き始め部分が最も近づく部分に形成してもよい。これによって、直線凹部33aまたはスリット34aの形成面積を最低限に抑えることができ、非接触電力伝送機器の伝送効率を向上させることができる。なお、この場合、直線凹部33aまたはスリット34aの長さは約5mm~10mmである。どちらの配置であっても、直線凹部33aまたはスリット34aの内側端部は中心部32aに接続している。
 また、直線凹部33aまたはスリット34aは、他の配置にしてもよい。すなわち、1次側コイル21aはなるべく1段構造であることが望ましく、その場合、1次側コイル21aの半径方向のすべてのターンを1段構造とするか、1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22a、23aのうち1方は1次側コイル21a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。1次側コイル21aが巻回されている部分と、1次側コイル21aの巻き終わりから端子22aまたは23aまでの部分とが、必ず厚さ方向において重なる場合、その重なる部分に直線凹部33aまたはスリット34aを設ければよい。
 直線凹部33aを用いる場合であれば、磁性シート51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、1次側非接触充電モジュール41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34aの場合は、磁性シート51の形成が容易となる。直線凹部33aである場合、断面形状が方形状となるような直線凹部33aに限定されず、円弧状や、丸みを帯びてもよい。
 次に、マグネットが1次側非接触充電モジュール41及び後述する2次側非接触充電モジュール42に対して与える影響について説明する。1次側非接触充電モジュール41によって発生した磁界を2次側非接触充電モジュール42内の2次側コイル21bが受信して電力伝送を行う。ここで、1次側コイル21a及び2次側コイル21bの周辺にマグネットを配置すると、磁界がマグネットを避けるように発生するか、マグネットを通過しようとする磁界はなくなってしまうこともある。また、磁性シート51のうちマグネットに近い部分の透磁率が低下してしまう。すなわち、マグネットによって、磁界が弱められるのである。従って、マグネットによって弱められる磁界を最小限にするためには、1次側コイル21a及び2次側コイル21bとマグネットの距離を離す、マグネットの影響を受けにくい磁性シート51を備える、等の対策を講じる必要がある。
 ここで、1次側非接触充電モジュール41は、電力供給の送信側として固定端末に用いられるため、1次側非接触充電モジュール41の固定端末内における占有スペースに余裕がある。また、1次側非接触充電モジュール41の1次側コイル21aに流れる電流は大きいため、磁性シート51の絶縁性が重要となる。これは、磁性シート51が導電性であると、1次側コイル21aを流れる大きな電流が磁性シート51を介してその他の部品に伝わる可能性があるからである。
 以上の点を考慮して、1次側非接触充電モジュール41に搭載する磁性シート51は、その厚みが400μm以上(好ましくは600μmq~1mm)で、磁気特性として透磁率250以上、磁束飽和密度350mT以上を有するNi-Zn系のフェライトシート(絶縁性)が好ましい。ただし、十分な絶縁処理を行うことで、Ni-Zn系のフェライトシートの代わりにMn-Zn系のフェライトシート(導電性)を使用することもできる。
 また、1次側非接触充電モジュール41は、マグネット30aを位置合わせとして使用する場合と使用しない場合とで1次側非接触充電モジュール41の1次側コイル21aのL値が大幅に変化する。すなわち、1次側非接触充電モジュール41にマグネット30aまたは2次側非接触充電モジュール42に同様のマグネットが存在することで1次側、2次側非接触充電モジュール間の磁束を妨げてしまい、マグネットがある場合では1次側非接触充電モジュール41の1次側コイル21aのL値が大幅に減少する。このマグネット30aによる影響を抑えるために、磁性シート51は高飽和磁束密度材(飽和磁束密度が350mT以上)であることが好ましい。高飽和磁束密度材は磁場が強くなっても磁束が飽和しにくいため、マグネット30aの影響を受けにくく、マグネット30aが使用されている際のコイル21のL値を向上させることができる。従って、磁性シート51を薄型化させることができる。
 しかしながら、磁性シート51の透磁率が低くなりすぎると1次側コイル21aのL値が非常に低下してしまう。その結果、1次側非接触充電モジュール41の効率を低下させてしまうことがある。従って、磁性シート51の透磁率は少なくとも250以上、好ましくは350以上が好ましい。また、L値は磁性シート51の厚みにも依存するが、フェライトシートの厚み400μm以上であればよい。なお、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が、アモルファス金属であってもよい。このような磁性シート51とすることで、1次側非接触充電モジュール41及び2次側非接触充電モジュール42の少なくとも一方がマグネットを備えていたとしても、1次側非接触充電モジュール41はマグネットの影響を低下させることができる。
 また、フェライトシートがMn-Zn系であることによって、更なる薄型化が可能となる。すなわち、規格(WPC)によって、電磁誘導の周波数は100kHz~200kHz程度(例えば120kHz)と決まっている。このような低周波数帯において、Mn-Zn系のフェライトシートは高効率となる。なお、Ni-Zn系のフェライトシートは高周波において高効率である。
〔携帯端末及び2次側非接触充電モジュールについて〕
 次に、2次側非接触充電モジュール42を携帯端末機器に搭載する場合について、説明する。
 図5は、本発明の実施の形態における携帯端末機器の構成を示す図であり、携帯端末機器を分解した場合の斜視図である。
 携帯端末機器520は、液晶パネル521、操作ボタン522、基板523、電池パック524等で構成されている。電磁誘導作用を利用して電力を受信する携帯端末機器520は、その外装を形成する筐体525と筐体526の内部に2次側非接触充電モジュール42を有する携帯端末機器である。
 液晶パネル521、操作ボタン522が設けられた筐体525の裏面には、操作ボタン522から入力された情報を受信するともに必要な情報を液晶パネル521に表示して携帯端末機器520全体を制御する制御部を備える基板523が設けられている。また、基板523の裏面には電池パック524が設けられている。電池パック524は、基板523と接続されて基板523に電力供給を行う。
 更に、電池パック524の裏面、すなわち筐体526側には2次側非接触充電モジュール42が設けられている。2次側非接触充電モジュール42は、電磁誘導作用により1次側非接触充電モジュール41から電力供給を受け、その電力を利用して電池パック524を充電する。
 2次側非接触充電モジュール42は、2次側コイル21b、磁性シート52等から構成される。電力供給を受ける方向を筐体526側とする場合、筐体526側から順に2次側コイル21b、磁性シート52を配置すると、基板523と電池パック524の影響を軽減して電力供給を受けることができる。
 また、2次側非接触充電モジュール42は、1次側非接触充電モジュール41との位置合わせに用いるマグネット30bを有する場合がある。この場合、2次側コイル21bの中央領域に位置する中空部に配置される。これは、規格(WPC)によって、円形であること、直径が15.5mm以下であること等が定められている。マグネット30bはコイン形状をしており、その中心が1次側コイル21aの巻回中心軸と一致するように配置されなければならない。これは、1次側コイル21aに対するマグネット30aの影響を軽減させるためである。2次側非接触充電モジュール42に備えられたマグネット30bは、1次側コイル21a及び2次側コイル21b双方のL値を低下させてしまう。
 2次側非接触充電モジュール42がマグネット30bを有する場合、マグネット30bを配置する1番目の方法として、マグネット30bを磁性シート52の中心部32bの上面に配置する方法がある。また、マグネット30bを配置する2番目の方法として、マグネット30bを磁性シート52の中心部32bの代わりに配置する方法がある。2番目の方法では、マグネット30bが2次側コイル21bの中空領域に配置されるため、2次側非接触充電モジュール42を小型化できる。
 なお、1次側非接触充電モジュール41と2次側非接触充電モジュール42の位置合わせにマグネットを利用しない場合は、マグネット30bは必要ない。
 次に、2次側非接触充電モジュール42について説明する。
 図6は、本発明の実施の形態における2次側非接触充電モジュールを示す図であり、2次側コイルが円形コイルの場合を示す。
 図7は、本発明の実施の形態における2次側非接触充電モジュールを示す詳細図である。図7Aは2次側非接触充電モジュールの上面図、図7Bは図7Aにおける2次側非接触充電モジュールのC-C断面図である。図7Cは、直線凹部を設けた場合の図7Aにおける2次側非接触充電モジュールのD-D断面図である。図7Dは、スリットを設けた場合の図7Aにおける2次側非接触充電モジュールのD-D断面図である。なお、図7A,図7Bは、マグネット30bを備えない場合を示している。なお、備える場合には、点線で示したマグネット30bを備える。
 2次側非接触充電モジュール42を説明する図6~図7は、1次側非接触充電モジュール41を説明する図3~図4にそれぞれ対応する。2次側非接触充電モジュール42の構成は、基本的に1次側非接触充電モジュール41と略同一である。
 2次側非接触充電モジュール42が1次側非接触充電モジュール41と異なる点として、磁性シート52の大きさと材料が挙げられる。2次側非接触充電モジュール42に用いる磁性シート52は、約40×40mm以内の大きさに収まる程度のサイズであり、厚みは約2mm以下である。
 1次側非接触充電モジュール41に用いる磁性シート51と、2次側非接触充電モジュール42に用いる磁性シート52のサイズは異なる。これは、2次側非接触充電モジュール42が一般的にポータブル電子機器に搭載されるためであり、小型化が要求されるからである。本実施の形態において磁性シート52は略正方形の約20mm×25mmである。磁性シート52が2次側コイル21bの外周端よりも同程度または大きく形成されることが望ましい。また、磁性シート51の形状は、円形、矩形、多角形、四隅に大きな曲線を備える矩形及び多角形でもよい。
 また、2次側非接触充電モジュール42は、電力供給の受信側として携帯端末に用いられるため、2次側非接触充電モジュール42の携帯端末内における占有スペースに余裕がない。また、2次側非接触充電モジュール42の2次側コイル21bに流れる電流は小さいため、磁性シート52の絶縁性はあまり要求されない。なお、本実施の形態では、約0.18~0.35mmの導線により2次側コイル21bを構成しており、その中でも2次側非接触充電モジュール42の2次側コイル21bには0.18~0.30mm程度の導線が好適である。
 搭載される電子機器が携帯電話の場合、携帯電話の外装を構成するケースとその内部に位置する電池パックとの間に配置されることが多い。一般的に、電池パックはアルミニウムの筐体であるため、電力伝送に悪影響を与える。これは、コイルが発生させる磁束を弱める方向にアルミニウムに渦電流が発生するため、コイルの磁束が弱められることに起因する。そのため、電池パックの外装であるアルミニウムとその外装の上に配置される2次側コイル21bとの間に磁性シート52を設け、アルミニウムに対する影響を軽減する必要がある。
 以上の点を考慮して、2次側非接触充電モジュール42に用いる磁性シート52は、透磁率、飽和磁束密度の高いものが使用され、2次側コイル21bのL値をなるべく大きくすることが重要である。基本的には磁性シート51と同様に透磁率250以上、飽和磁束密度350mT以上を備えるものであればよい。本実施の形態においては、Mn-Zn系のフェライトの焼結体であって、透磁率1500以上、飽和磁束密度400以上、厚みは約400μm以上であることが好ましい。ただし、Ni-Zn系フェライトでもよく、透磁率250以上、飽和磁束密度350以上あれば、1次側非接触充電モジュール41と電力伝送が可能である。また、2次側コイル21bも1次側コイル21aと同様で略長方形に巻回される。1次側非接触充電モジュール41内にマグネット30aを備えて位置合わせを行う場合と、マグネット30aを備えずに位置合わせを行う場合とがある。1次側非接触充電モジュール41に設けられる場合は、円形であるマグネット30aの直径は15.5mm以下であり、本実施の形態においては15.5mmである。
 次に、マグネット30aのサイズと2次側コイル21bの中空部のサイズとの関係について説明する。ここでは、1次側非接触充電モジュール41にマグネット30aを配置した場合について説明するが、2次側非接触充電モジュール42にマグネット30bを配置した場合も同様の関係が成り立つ。その場合は、下記の説明において、マグネット30bはマグネット30aに相当し、1次側非接触充電モジュール41は2次側非接触充電モジュール42に相当する。
 また、1次側非接触充電モジュール41と2次側非接触充電モジュール42との位置合わせの方法としては、例えば以下の方法が挙げられる。例えば充電器の充電面に凸部、2次側の電子機器に凹部を形成しはめ込むといった、物理的(形状的)に強制的な位置合わせを行う方法。また、少なくとも1次側及び2次側の一方にマグネットを搭載することで、お互いのマグネットもしくは一方のマグネットと他方の磁性シートとが引き付けあって位置合わせを行う方法。1次側が2次側のコイルの位置を検出することで、1次側のコイルを自動的に2次側のコイルの位置まで移動させる方法。充電器に多数のコイルを備えることで、携帯機器が充電器の充電面のどこにおいても充電可能とする方法等。
 このように、1次側(充電側)非接触充電モジュール41及び2次側(被充電側)非接触充電モジュール42のコイルの位置合わせには様々な方法が挙げられるが、マグネットを使用する方法とマグネットを使用しない方法とに分けられる。そして、1次側(充電側)非接触充電モジュール41であれば、マグネットを使用する2次側(被充電側)非接触充電モジュール42及びマグネットを使用しない2次側(被充電側)非接触充電モジュール42の双方に適応できるようにすることで2次側(被充電側)非接触充電モジュールのタイプに関係せず充電ができ利便性が向上する。同様に、2次側(被充電側)非接触充電モジュールであれば、マグネットを使用する1次側(充電側)非接触充電モジュール及びマグネットを使用しない1次側(充電側)非接触充電モジュールの双方に適応できるようにすることで1次側(充電側)非接触充電モジュールのタイプに関係せず充電ができ利便性が向上する。すなわち、電力伝送を行う相手である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う非接触充電モジュールにおいて、他方の非接触充電モジュールとの位置合わせに際し、他方の非接触充電モジュールに備えられたマグネットを利用して位置合わせを行う第1の手段、及びマグネットを利用しないで位置合わせを行う第2の手段、双方の手段により他方の非接触充電モジュールと位置合わせ可能であって、電力伝送が可能となるように構成することが必要である。
 位置合わせのために、2次側非接触充電モジュール42の近くにマグネット30aが存在することで、磁性シート52の透磁率が低下する。磁性シート52の透磁率は、マグネット30aに近い部分(一般的に中心部32bあたり)の透磁率が最も低下し、マグネット30aからの距離が離れるに従って、その低下の具合が減少する(低下しにくくなる)。磁性シート52の透磁率が低下すると、2次側コイル21bのL値が減少してしまう。従って、2次側コイル21bとマグネット30aとの間の距離を大きくすることで、L値の減少を抑えることができる。一方で、非接触充電モジュールの小型化のためには、2次側コイル21bとマグネット30aとの間の距離を大きくすることが難しい。以下に詳しく説明する。
 図8は、マグネットを備える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関係を示す図である。図8Aはコイルの内幅が小さいときに位置合わせのマグネットを用いた場合、図8Bはコイルの内幅が大きいときに位置合わせのマグネットを用いた場合、図8Cはコイルの内幅が小さいときに位置合わせのマグネットを用いない場合、図8Dはコイルの内幅が大きいときに位置合わせのマグネットを用いない場合である。図9は、コイルの内径とコイルのL値との関係を示す図である。なお、図8では、マグネット30aを備える1次側非接触充電モジュール41と電力伝送を行う2次側非接触充電モジュール42の2次側コイル21bについて説明する。しかしながら、下記で説明する2次側非接触充電モジュール42の関係の2次側コイル21bについての説明は、マグネット30bを備える2次側非接触充電モジュール42と電力伝送を行う2次側非接触充電モジュール42の2次側コイル21bについても適用される。
 1次側コイル21aと2次側コイル21bは対向している。1次側コイル21a、2次側コイル21bのうち、内側部分211、212においても磁界が発生し、電力伝送される。各内側部分211、212はそれぞれ対向している。また、内側部分211、212はマグネット30aに近い部分でもあり、マグネット30aからの悪影響を受けやすい。すなわち、電力伝送のために1次側コイルと2次側コイルとの間に磁束が発生している際、その間や周辺にマグネットが存在すると磁束はマグネットを避けるように伸びる。もしくは、マグネットの中を貫く磁束はマグネットの中で渦電流や発熱となり、損失となる。更に、マグネットが磁性シートの近傍に配置されることによって、マグネット近傍の磁性シートの透磁率が低下してしまう。従って、1次側非接触充電モジュール41に備えられたマグネット30aは、1次側コイル21a及び2次側コイル21bの特に内側部分211、212の磁束を弱めてしまい、悪影響を及ぼす。その結果、非接触充電モジュール間の伝送効率が低下してしまう。従って、図8Aの場合、マグネット30aの悪影響を受けやすい内側部分211、212が大きくなってしまう。それに対して、マグネットを用いない図8Cは2次側コイル21bの巻き数が多いためL値は大きくなる。その結果、図8CにおけるL値から図8AにおけるL値へは大幅に数値が減少するため、内幅が小さいコイルでは、マグネット30aが位置合わせのために備えられる場合と備えられる場合とで、L値減少率が非常に大きくなってしまう。また、図8Aのように2次側コイル21bの内幅がマグネット30aの直径よりも小さいと、マグネット30aと対向する面積だけ2次側コイル21bはダイレクトにマグネット30aの悪影響を受けてしまう。従って、2次側コイル21bの内幅はマグネット30aからなるべく離れることが好ましい。
 対して、図8Bのようにコイルの内幅が大きいと、マグネット30aの悪影響を受けやすい内側部分211、212が非常に小さくなる。また、マグネットを用いない図8Dは2次側コイル21bの巻き数が少なくなるためL値は図8Cに比べて小さくなる。その結果、図8DにおけるL値から図8BにおけるL値へは数値の減少が小さいため、内幅が大きいコイルではL値減少率を小さく抑えることができる。また、2次側コイル21bの内幅が大きいほど、マグネット30aからコイル21の中空部の端部が離れるため、マグネット30aの影響を抑えることができる。しかしながら、非接触充電モジュールは充電器もしくは電子機器等に搭載されるため、小型化が必要であると同時に、ある一定以上の大きさに形成することができない。従って、1次側コイル21a、2次側コイル21bの内幅を大きくしてマグネット30aからの悪影響を小さくしようとすると、巻き数が減ってしまいマグネット有り無しに関係せずL値そのものが減少してしまう。
 更に、図9に示すように、マグネット30aのサイズ及び2次側コイル21bの外径を一定(30mm)にした場合、2次側コイル21bの巻き数を減らして2次側コイル21bの内径を大きくしていくと、マグネット30aの2次側コイル21bに対する影響が小さくなる。すなわち、マグネット30aを1次側非接触充電モジュール41と2次側非接触充電モジュール42との位置合わせに利用する場合と利用しない場合における2次側コイル21bのL値が近い値となる。従って、マグネット30aを使用するときと使用しないときとの共振周波数が非常に近い値となる。図9の結果は、2次側非接触充電モジュール42にマグネット30bを備えた場合の1次側非接触充電モジュール41の1次側コイル21aのL値としても、同様のことがいえる。
 以上のことから、本願発明は、2次側コイル21bの略長方形の中空部を、短辺が前記円形のマグネットの直径よりも短く、長辺が前記円形のマグネットの直径よりも長く構成する。すなわち、マグネット30aの直径は最大15.5mmであるので、長辺が15.5mm以上よりも長くなるようにすると良い。それにより、短辺を15.5mm以下に短くしても、どのようなマグネットに対しても本願の効果を得ることができる。図10を用いて詳細に説明する。
 図10は、長方形に巻回した2次側コイル及び円形に巻回した2次側コイルと1次側非接触充電モジュールに備えられたマグネットとの位置関係を示す図である。図10Aは長方形の場合、図10Bは円形の場合を示す。なお、図10においては、図10Aの長方形コイルの外側長辺の長さと図10Bの円形コイルとの外側径の直径が同一のnとなり、長方形コイルの内側長辺yと円形コイルの内側円の直径xが同一となるようにしている。また、長方形コイルの内側短辺をzとしている。もちろん、x>z、y>zとなる。なお、この場合は、コイルは2次側非接触充電モジュール42に備えられる2次側コイル21bである。円形コイル2dの内側円(中空部の外周)とマグネット30aとの距離を十分に確保しようとすると、xをmよりも大きく形成しなくてはならない。その結果、円形コイルの縦幅、横幅、及びどの方向においても、幅がnとなる。また、円形コイル2dの内側円(中空部の外周)とマグネット30aとの距離は、どの角度においても、図10Bにおいて(x-m)/2となる。すなわち、円形コイル2dの内側円(中空部の外周)とマグネット30aとの距離は、最大でも最小でも(x-m)/2となる。
 対して、図10Aの長方形コイル2cは、長辺部分の一部がマグネット30aと重なっている。すなわち、z<mである。しかしながら、長方形コイル2cのコーナー部分(四隅)及び短辺部分は重なっていない(y>m)。更に、長方形の対角線はyよりも大きいため、コーナー部分は、マグネット30aからの距離が(x-m)/2よりも大きくなっている。また、長方形の場合、磁束はコーナー部分に集中する。これは、コイルを角(コーナー)が形成されるように巻回すると、角(コーナー)部分に磁束が集中するからである。更に、コイルが長方形に巻回された場合、長辺よりも短辺の方に磁束が集中する。図10Aの長方形コイル2cの短辺は、マグネット30aとの最短距離が(x-m)/2であり、短辺の中心以外はそれよりも距離が離れる。
 すなわち、図10Aの長方形コイル2cは、長辺部分の一部がマグネット30aと重なっていたとしても、最も磁束が集中する角(コーナー)部が、マグネット30aから離れており、距離が(x-m)/2よりも大きくなっている。また、短辺とマグネット30aとの距離が(x-m)/2以上となる。これにより、図10Aの長方形コイル2cは、図10Bの円形コイル2dに比較して小型化を達成しているにもかかわらず、円形コイルと変わらない効率で電力伝送が可能となる。
 なお、略長方形とは、四隅を直角ではなく曲線形状にコイルを巻回することがあるためである。このとき、それぞれ四隅の曲線形状が、それぞれの中空部の辺の30%以内であれば良い。例えば、中空部の長方形が12mm×18mmである場合、中空部の曲線は、短辺の両側それぞれ3.6mm以内、長辺の両側それぞれ5.4mm以内であれば良い。コイルの外側形状(外縁形状)は、中空部の形状によって変化する。なお、それぞれ四隅の曲線形状が、それぞれの中空部の辺の30%以上となると、長方形形状が楕円形状に近づいてしまう。そうすると、角(コーナー)に磁界が集中する事象が弱まると同時に、角(コーナー)がマグネット30aに近づいてしまう。従って、30%以内とする。
 図10Aの非接触充電モジュールにおいては、電力伝送相手の非接触充電モジュールがマグネットを備える場合にL値が約9.2μH、マグネットを備えない場合んにL値が約26.4μH、L値減少率が約65%である。対して、図10Bの非接触充電モジュールにおいては、電力伝送相手の非接触充電モジュールがマグネットを備える場合にL値が約9.7μH、マグネットを備えない場合んにL値が約27.6μH、L値減少率が約65%である。すなわち、ほとんど同じL値、L値減少率である。
 したがって、図10Aの略長方形コイルは、図10Bの円形コイルとほとんど同じ特性を達成しつつ、コイルの面積を約15%削減することができる。さらに、図10のように携帯端末に搭載する際は、他の部品との配置の関係上、略矩形形状の磁性シートとすることが多く、図10Aの磁性シート52は、図10Bの磁性シート52に比較して、約30%以上の磁性シート52の面積を削減している。
 なお、中空部が18mm×18mmの略正方形のコイルに形成すると、L値原料率は約56%とかなり減少し、よりよい電力伝送効率を備える非接触充電モジュールとすることができる。しかしながら、これでは非接触充電モジュールの小型化とはならない。
 本願発明のように、導線が略長方形に巻回された2次側コイル21bと、平2次側コイル21bを載置する面を備えた磁性シート52と、を備え、2次側コイル21bの略長方形の中空部は、短辺が円形のマグネット30aの直径よりも短く、長辺が円形のマグネット30aの直径よりも長いことによって、小型化を達成しつつ、1次側非接触充電モジュール41と2次側非接触充電モジュール42の位置合わせに際して、電力伝送の相手側である1次側非接触充電モジュール41に備えられたマグネット30aを使用する場合、または使用しない場合のいずれの場合であっても、2次側非接触充電モジュール42に設けられた2次側コイル21bのL値の変化を抑え、マグネット30aを使用する場合とマグネット30aを使用しない場合のいずれの場合でも好適に使用できる2次側非接触充電モジュール42とすることができる。もちろん、上述した2次側非接触充電モジュール42とマグネット30aとの間の技術及び効果は、1次側非接触充電モジュール41とマグネット30bとの間においても適用される。
 このように中空部の長辺はマグネットと重なるが、コイルの外形はマグネットよりも大きいことが望ましい。これにより、コイルの長辺部分であってもマグネットとは重ならない部分が存在するため、マグネットの影響を低減させることができる。
 なお、L値減少率とは、位置合せのために電力伝送相手の非接触充電モジュールにマグネットを用いた場合のL値が、マグネットを用いない場合のL値に対してどの程度の割合かを示す。すなわち、L値減少率が小さいほど、マグネットの影響を受けにくく、どちらの場合においても近いL値とすることができる。また、非接触充電機器とは、非接触充電モジュールを備えた電子機器のことをいい、1次側非接触充電モジュールを備える充電器などや、2次側非接触充電モジュールを備える携帯端末、電子機器など様々である。
 2011年9月8日出願の特願2011-195819の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
 本発明の非接触充電モジュール、電子機器、及び非接触充電機器によれば小型化を達成しつつ、電力伝送効率を高効率に安定した非接触充電モジュール、電子機器、及び非接触充電機器とすることができるので、携帯電話、ポータブルオーディオ、携帯用のコンピュータ等の携帯端末、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の携帯機器を充電する際の送信側充電機器として有用である。
 21a  1次側コイル
 21b  2次側コイル
 211、212  内側部分
 22a、23a  端子(1次側)
 22b、23b  端子(2次側)
 30a  マグネット(1次側)
 30b  マグネット(2次側)
 31a  平坦部(1次側)
 31b  平坦部(2次側)
 32a  中心部(1次側)
 32b  中心部(2次側)
 33a  直線凹部(1次側)
 33b  直線凹部(2次側)
 34a  スリット(1次側)
 34b  スリット(2次側)
 41  1次側非接触充電モジュール(送信側非接触充電モジュール)
 42  2次側非接触充電モジュール(受信側非接触充電モジュール)
 51  磁性シート(1次側)
 52  磁性シート(2次側)
 71  電力入力部
 72  整流回路
 82  電力出力部
 200  電子機器
 300  商用電源
 301  コンセント
 400  非接触充電器
 401  プラグ
 402  面
 501  机上
 520  携帯端末機器
 521  液晶パネル
 522  操作ボタン
 523  基板
 524  電池パック(電力保持部)
 525、526  筐体

Claims (14)

  1.  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に備えられた円形のマグネットを利用して位置合わせを行う場合と、前記円形のマグネットを利用しないで位置合わせを行う場合と、のどちらの場合であっても前記他方の非接触充電モジュールと位置合わせ可能な非接触充電モジュールにおいて、
     導線が略長方形に巻回された平面コイル部と、
     前記平面コイル部を載置する面を備えた磁性シートと、を備え、
     前記平面コイル部の略長方形の中空部は、短辺が前記円形のマグネットの直径よりも短く、長辺が前記円形のマグネットの直径よりも長い、
     非接触充電モジュール。
  2.  前記平面コイル部の略長方形の外形は、短辺及び長辺のいずれも前記円形のマグネットの直径よりも長い、
     請求項1に記載の非接触充電モジュール。
  3.  前記磁性シートのうち前記平面コイル部の中空部に面する領域は、前記磁性シートのうち前記平面コイル部の巻回部分を載置する領域に対して凸状である、
     請求項1に記載の非接触充電モジュール。
  4.  前記磁性シートのうち前記平面コイル部の中空部に面する領域と、前記磁性シートのうち前記平面コイル部の巻回部分を載置する領域と、は平坦である、
     請求項1に記載の非接触充電モジュール。
  5.  前記磁性シートのうち前記平面コイル部の中空部に面する領域は、前記磁性シートのうち前記平面コイル部の巻回部分を載置する領域に対して凹状である、
     請求項1に記載の非接触充電モジュール。
  6.  前記磁性シートのうち前記平面コイル部の中空部に対応する領域は、貫通孔である、
     請求項1に記載の非接触充電モジュール。
  7.  前記平面コイル部の略長方形の中空部の四隅のコーナー部は曲線形状に巻回され、前記コーナー部は、前記平面コイル部の略長方形の中空部の各辺の約30%以内の大きさで形成される、
     請求項1に記載の非接触充電モジュール。
  8.  請求項1に記載の非接触充電モジュールと、前記非接触充電モジュールを介して充電される電池を備えた、
     電子機器。
  9.  請求項1に記載の非接触充電モジュールを備えた、
     る非接触充電機器。
  10.  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に備えられた直径が15.5mm以下である円形のマグネットを利用して位置合わせを行う場合と、及び前記円形のマグネットを利用しないで位置合わせを行う場合と、のどちらの場合であっても前記他方の非接触充電モジュールと位置合わせ可能な非接触充電モジュールにおいて、
     導線が略長方形に巻回された平面コイル部と、
     前記平面コイル部を載置する面を備えた磁性シートと、を備え、
     前記平面コイル部の略長方形の中空部は、短辺が15.5mmよりも短く、長辺が15.5mmよりも長い、
     非接触充電モジュール。
  11.  前記平面コイル部の略長方形の外形は、短辺及び長辺のいずれも15.5mmよりも長い、
     請求項10に記載の非接触充電モジュール。
  12.  前記平面コイル部の略長方形の中空部の四隅のコーナー部は曲線形状に巻回され、前記コーナー部は、前記平面コイル部の略長方形の中空部の各辺の約30%以内の大きさで形成される、
     請求項10に記載の非接触充電モジュール。
  13.  請求項10に記載の非接触充電モジュールと、前記非接触充電モジュールを介して充電される電池を備えた、
     電子機器。
  14.  請求項10に記載の非接触充電モジュールを備えた、
     非接触充電機器。
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