WO2018180313A1

WO2018180313A1 - コイル装置

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Publication number: WO2018180313A1
Application number: PCT/JP2018/008822
Authority: WO
Inventors: 直輝大村; 賢二西村; 健太郎降矢; 正一原
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2018-10-04
Also published as: JP2020109777A

Abstract

コイル装置は、導線を含むコイルと、コイルに隣接するフェライトコアと、を備える。フェライトコアは、コイルの周りに発生する磁束の向きに平行な第１方向に連続して延在する磁性体であるコア部であって、第１方向における長さが、第２方向における長さよりも長くなるように構成されたコア部と、第２方向におけるコア部の両側に形成されると共にコア部に沿って延在し、コア部の透磁率よりも低い透磁率を有するギャップ部と、を含む。フェライトコアには、第３方向にコイルが投影された領域内において、コア部の占積率が一定以上である第１領域と、少なくともギャップ部を含み第１領域における上記占積率よりもコア部の占積率が低い第２領域と、が形成されている。

Description

コイル装置

　本開示は、コイル装置に関する。

　コイル装置として、特許文献１～４に記載の装置が知られている。特許文献１に記載の装置では、コイルが巻回されるコアユニットは、磁束方向および交差方向に配列された複数の分割コアを有する。交差方向において隣り合う分割コアの間には位置決めガイド壁が設けられ、磁束方向において隣り合う分割コアの間にはギャップ板が設けられる。特許文献２に記載の装置では、コアユニットは、渦巻型コイルの径方向に延びるように形成された溝部を有し、渦巻型コイルの引出線は、その溝部に配置されている。

特開2015-15417号公報特開2015-142019号公報

　上記特許文献１に記載の装置では、位置決めガイド壁やギャップ板等により、分割コアが互いに接触することを防ぎつつ、コイルのインダクタンスの変動や分割コアの破損を防ぐことが試みられている。しかしながら、特許文献１では、分割コアが配置される向きが検討されているに過ぎない。ソレノイド型のコイルに対して、コイルが設けられた領域のほぼ全域に、均等に分割コアが配置されている。特許文献１では、更に詳細な配置は検討されていない。

　本開示は、フェライト量を低減しつつ、所望の磁気特性を得ることができるコイル装置を説明する。

　本開示の一態様に係るコイル装置は、導線を含むコイルと、コイルに隣接するフェライトコアと、を備え、フェライトコアは、コイルの周りに発生する磁束の向きに平行な第１方向に連続して延在する磁性体であるコア部であって、第１方向におけるコア部の長さが、第１方向に直交する第２方向におけるコア部の長さよりも長くなるように構成されたコア部と、第２方向におけるコア部の両側に形成されると共にコア部に沿って延在し、コア部の透磁率よりも低い透磁率を有するギャップ部と、を含み、フェライトコアには、第１方向および第２方向の両方に垂直な第３方向にコイルが投影された領域内において、コア部の占積率が一定以上である第１領域と、少なくともギャップ部を含み、第１領域における占積率よりもコア部の占積率が低い第２領域と、が形成されている。

　本開示の一態様によれば、フェライト量を低減しつつ、所望の磁気特性を得ることができる。

図１は本開示の第１実施形態に係るコイル装置を示す分解斜視図である。図２は図１中のフェライトコアおよびコイルを示す平面図である。図３は図２のフェライトコアにおけるコア部の占積率に基づく領域区分を示す図である。図４は図２のフェライトコアの磁束密度分布を示す図である。図５は実施例および比較例におけるインダクタンスおよび結合係数を示す図である。図６は変形例に対応するフェライトコアの磁束密度分布を示す図である。図７は他の変形例に対応するフェライトコアの磁束密度分布を示す図である。図８は第２実施形態に係るコイル装置のフェライトコアおよびコイルを示す平面図である。図９は比較例１に対応するフェライトコアの磁束密度分布を示す図である。図１０は比較例２に対応するフェライトコアの磁束密度分布を示す図である。

　このコイル装置によれば、磁性体であるコア部は、磁束の向きに平行な第１方向に連続して延在する。コア部の両側には、コア部に沿って延在するギャップ部が設けられる。コア部は、第１方向においてより長くなっている。コイルの周りに発生する磁束はコア部に集中し得る。コア部の占積率が一定以上である第１領域に磁束を集中させることにより、磁束量を制御でき、所望の磁気特性を得ることができる。コア部の占積率が低い第２領域は、フェライト量の低減に寄与する。このコイル装置では、磁束の向きに着目し、磁束の向きにより長いコア部が密に配置される第１領域と、コア部が疎に配置される第２領域とが設定されている。これにより、フェライト量の低減の度合いに比して、磁気特性の低下の度合いは抑えられている。このように、コア部の配置に疎密をつけることにより、磁気特性の制御が可能になっている。その結果として、フェライト量を低減しつつ、所望の磁気特性を得ることができる。

　いくつかの態様において、フェライトコアには、第３方向にコイルが投影された領域内において、コア部の占積率が０％である第２領域が形成されている。この場合、この第２領域にはコア部が設けられないため、当該第２領域は、フェライト量の低減に大きく寄与する。

　いくつかの態様において、コイルは、巻軸を囲むようにして導線が渦巻状に巻回されたサーキュラー型のコイルであり、第１領域は、巻軸に対して径方向に延在する。サーキュラー型のコイルにおける磁束密度は巻軸に対して径方向の領域で大きくなり得る。径方向に延在する第１領域によれば、サーキュラー型のコイルに適した磁気特性の確保が可能である。また、第１領域において所望の磁気特性を確保した上で第２領域を適切に設け、それによってフェライト量の効率的な低減を図ることもできる。

　いくつかの態様において、第２方向に隣り合うコア部の間のギャップ部は、コイルの導線に対して交差するように延在する。この場合、漏れ磁界の抑制効果によるインダクタンスの低下を防ぎ、第１領域の磁束密度が上昇することによる特定方向への位置ズレに対する結合係数の上昇もしくは指向性を持たせることができる。

　いくつかの態様において、第２領域のうちコア部が設けられない領域には、コア部よりも高強度であり、かつ、コア部の透磁率よりも低い透磁率を有する補強部材が設けられる。この場合、磁束量を抑えた第２領域にて機械強度を高めるための補強部材が設けられるので、構造面（機械強度）で有利である。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

　まず、図１を参照して、第１実施形態に係るコイル装置１を説明する。コイル装置１は、たとえば、非接触給電システムにおける受電装置または送電装置に用いられる。非接触給電システムは、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されたバッテリを充電するためのシステムである。コイル装置１は、受電装置および送電装置の両方に用いられてもよい。

　コイル装置１が受電装置に用いられる場合、受電コイル装置としてのコイル装置１は、たとえば車両のシャシー等に固定される。コイル装置１には、受電回路および充電回路などを介して、バッテリが接続される。コイル装置１が送電装置に用いられる場合、送電コイル装置としてのコイル装置１は、たとえば路面に固定される。コイル装置１には、送電回路および整流回路などを介して、外部電源が接続される。

　送電コイル装置と受電コイル装置とが上下方向において対向し、内部のコイル同士が電磁気的に結合して電磁結合回路を形成することにより、送電コイル装置のコイルから受電コイル装置のコイルへと非接触給電が行われる。言い換えれば、受電コイル装置は、送電コイル装置から非接触で電力を受け取る。電磁結合回路は、「電磁誘導方式」で給電を行う回路であってもよく、「磁界共鳴方式」で給電を行う回路であってもよい。

　コイル装置１は、たとえば扁平な形状をなす。コイル装置１は、筐体２と、筐体２内に収容されるコイル１０、ボビン６、およびフェライトコア２０とを備える。筐体２は、ベース４と、ベース４に固定されるカバー３とを含む。

　ベース４は、コイル１０の裏面側に配置された板状部材であり、コイル装置１の全体としての剛性を確保する。ベース４は、たとえば、非磁性材料であって導電性を有する材料からなる。ベース４は、剛性の高い材料であって、透磁率の低い金属（たとえばアルミニウム等）からなる。これにより、ベース４は、漏えい磁束の外部流出を遮蔽し得る。言い換えれば、ベース４は、磁気シールド板である。

　カバー３は、コイル１０の表面側に配置された箱体であり、コイル１０を含む内装部品を保護する。カバー３は、たとえば、非磁性かつ非導電性の材料（たとえばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）等）からなる。カバー３は、いわば外装カバーである。

　これらのカバー３およびベース４によって、コイル１０を収容する収容空間が形成されている。コイル装置１が送電コイル装置および受電コイル装置の両方に適用される場合、これらのいずれか一方である第１コイル装置のカバー３と、いずれか他方である第２コイル装置のカバー３とが、所定の離間距離をもって対面する。第１コイル装置のベース４と、第２コイル装置のベース４とは、それぞれのコイル１０に対して、他のコイル装置に対向する側とは反対側に設けられる。ベース４は、車両や路面に固定される側に配置される。コイル装置１の扁平な各部において、対向する他のコイル装置に近い面を「表面」といい、他のコイル装置から遠い面、すなわち表面とは反対側の面を「裏面」という。

　コイル１０、ボビン６、およびフェライトコア２０は、一体になって、筐体２内に取り付けられている。筐体２内において、コイル１０およびボビン６は、たとえば表面側に配置されており、フェライトコア２０は、たとえば裏面側に配置されている。

　図１および図２に示されるように、コイル１０は、導線７を含む。コイル１０は、たとえば、同一平面内で略矩形の渦巻状に巻回された導線７によって形成される。コイル１０が受電装置に設けられる場合、コイル１０は、誘導電流を発生させる。コイル１０が送電装置に設けられる場合、コイル１０は、磁束を発生させる。コイル１０は、たとえばサーキュラー型のコイルである。サーキュラー型のコイルにおいて、導線７は、巻軸Ａ（図２参照）を囲むようにして、巻線方向に導線７が巻かれている。この場合、巻線方向は渦巻状に延びる方向であり、巻軸Ａ（Ｚ方向）に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿った方向である。導線７としては、たとえば、互いに絶縁された複数の導体素線が撚り合わされたリッツ線が用いられる。導線７としては、表皮効果による高周波抵抗を抑えたリッツ線が用いられる。導線７は、銅もしくはアルミニウムの単線であってもよい。

　ボビン６は、コイル１０を保持する。ボビン６は、ボビン６に対して導線７が巻回されることで導線７を保持する平板状の部材である。ボビン６は、たとえば表面側に形成された溝を有している。この溝内に導線７が配置されることで、ボビン６は導線７を保持する。ボビン６は、非磁性かつ非導電性の材料（たとえばシリコーンやポリフェニレンサルファイド樹脂等）からなる。

　フェライトコア２０は、ボビン６の裏面側、すなわちボビン６とベース４との間に配置されている。フェライトコア２０は、コイル１０に隣接する。フェライトコア２０は、ボビン６の大きさに略等しくてもよく、ボビン６より大きくてもよい。フェライトコア２０およびコイル１０の間にはボビン６が介在するため、フェライトコア２０およびコイル１０は当接しない。なお、フェライトコア２０およびコイル１０が当接する構成であってもよい。フェライトコア２０は、磁性体であるフェライトからなる。コイル１０が受電装置に設けられる場合、フェライトコア２０は、コイル１０の周囲に発生した磁場の方向付けおよび集約を行う。コイル１０が送電装置に設けられる場合、フェライトコア２０は、コイル１０から発生した磁場の方向付けおよび集約を行う。

　以下、フェライトコア２０の構成について詳細に説明する。本実施形態のコイル装置１は、磁気特性の制御を可能とする構成を備えている。ここで言う磁気特性とは、たとえば、送受電コイルのインピーダンス及び結合係数である。フェライトコア２０は、一例として、フェライトが十字状に配置された構成を有する。フェライトコア２０は、巻軸Ａ上に配置された矩形板状の第２コア部２２と、第２コア部２２の周囲に配置された複数の第１コア部（コア部）２１とを含む。第２コア部２２は、たとえば正方形状をなす。第２コア部２２の各辺に近接するようにして、たとえば各３枚（合計１２枚）の第１コア部２１が設けられている。各第１コア部２１は、長方形板状をなす。複数の第１コア部２１と１枚の第２コア部２２とは、同一平面上（ＸＹ平面上）に延在する。

　フェライトコア２０は、コイル１０とベース４の表面側との間に設けられる。例えばフェライトコア２０は、ベース４の表面側に固定されてもよいし、ボビン６の裏面側に固定されてもよい。フェライトコア２０は、フェライトコア２０用の保持部材（図示せず）に固定されてもよい。フェライトコア２０は、公知の取付構造により、コイル１０の近傍に取り付けられ得る。その際、第１コア部２１および第２コア部２２の位置関係が保持されるように、フェライトコア２０は取り付けられる。なお、ボビン６が省略されて、フェライトコア２０がコイル１０を保持してもよい。すなわち、フェライトコア２０にコイル１０が巻回されてもよい。

　第１コア部２１および第２コア部２２は、いずれもフェライト（すなわち磁性体）であり、高透磁率を有する。第１コア部２１および第２コア部２２は、それぞれ一定の厚みを有してもよい。第１コア部２１および第２コア部２２の厚みが異なってもよい。第１コア部２１および第２コア部２２の少なくとも一方が、不均一な厚みを有してもよい。なお、第２コア部２２は設けなくてもよいが、この場合、巻軸Ａ付近に発生する磁束の一部は、第１コア部２１ではなく、ベース４に鎖交することになる。第２コア部２２が存在することにより、巻軸Ａ付近の磁束を第２コア部２２を介して第１コア部２１へ通すことができる。つまり、第２コア部２２が存在することにより、ベース４に鎖交する磁束が減り、第１コア部２１を通る磁束が増え、第２コア部２２が存在しない場合よりもインダクタンスが増える。

　図２に示されるように、フェライトコア２０の各第１コア部２１は、コイル１０の周囲に発生する磁束Ｂ１，Ｂ２の方向を考慮して配列されている。各第１コア部２１は、磁束Ｂ１，Ｂ２の向きに平行な第１方向に連続して延在する。「第１コア部２１が第１方向に連続して延在する」とは、第１コア部２１に、第１方向に交差する（遮る）隙間や空隙が設けられないことを意味する。図２には、理解を容易にするために４本の磁束Ｂ１および４本の磁束Ｂ２のみが示されている。当業者であれば理解し得ることであるが、コイル１０の周囲には無数の磁束が形成され得る。

　本明細書において磁束の向きとは、立体的に形成され得る磁束密度が巻軸Ａの方向（Ｚ方向：フェライトの厚み方向）に沿ってＸ－Ｙ平面へと投影された場合のＸ－Ｙ平面内（フェライトの面方向）での向きを意味する。本明細書において磁束の向きは、フェライトコア２０（第１コア部２１またはギャップ部２５）の構成に関係なく定まるものである。すなわち、磁束の向きは、コイル１０の構成に起因する磁束Ｂ１及びＢ２（図２参照）を意味するのであり、フェライトコア２０の存在に起因して形成される磁束Ｂ３（図２参照。後述される）を意味しない。本実施形態のサーキュラー型のコイル１０の周囲に発生する磁束は、巻軸Ａを中心にコイル１０のＸ－Ｙ平面内において放射状に延びる。

　第１コア部２１の第１方向における長さは、第１コア部２１の第２方向における長さよりも長い。言い換えれば、第１コア部２１は、長辺と短辺とを有し得る。第２方向は、第１方向に直交する方向で、且つ、Ｘ－Ｙ平面内の方向（Ｘ－Ｙ平面に含まれる方向）である。第１コア部２１の長辺は、第１方向に沿って設けられており、第１コア部２１の短辺は、第２方向に沿って設けられている。或いは、第１コア部２１の長辺は、第２方向よりも第１方向に近い方向に向けられている。第１コア部２１の短辺は、第１方向よりも第２方向に近い方向に向けられている。なお、第１コア部２１は、全体として細長い形状をなしていればよい。第１コア部２１は、矩形状に限られない。第１方向は、巻軸Ａを中心とする放射状の方向であり、第２方向は、ほぼ、コイル１０の巻線に沿う方向である。

　第１コア部２１関して、より詳細に説明する。第２コア部２２の各辺に近接するように設けられた３枚の第１コア部２１のうち、中央の第１コア部２１は、第１方向（磁束Ｂ１の向き）に沿って配置されている。両側の第１コア部２１，２１は、第１方向（図示されない磁束の向き）に対して所定の鋭角（４５度未満）をなすように配置されている。両側の第１コア部２１，２１に関しても、これらの第１コア部２１，２１は、磁束の向きに平行な第１方向に延在する。各第１コア部２１が配置される向きは、たとえば、各第１コア部２１の中心線を基準に定められ得る。複数の第１コア部２１は、巻軸Ａおよび磁束Ｂ１を含む平面に関して面対称をなすように設けられている。

　第１コア部２１は、磁束の向きに細長い形状を有する。第１コア部２１は、請求の範囲に記載の「コア部」に相当する。言い換えれば、請求の範囲に記載の「コア部」は、コイル１０によって発生させられる磁束に対する方位性をもった形状を有する。

　各第１コア部２１において、第１方向に直交する第２方向の両側には、ギャップ部２５が形成されている。図２に示されるように、隣り合う第１コア部２１，２１の２つの長辺の間には、長細いギャップ部２５が形成されている。これらのギャップ部２５は、第１コア部２１に沿って延在する。また、両側の第１コア部２１，２１の一側方には、フェライトコア２０の四隅に位置する矩形状（たとえば正方形状）のギャップ部２５が形成されている。

　これらのギャップ部２５は、磁性体が配置されない隙間であってよい。ギャップ部２５の透磁率は、第１コア部２１の透磁率よりも著しく低い。言い換えれば、ギャップ部２５の磁気抵抗は、第１コア部２１の磁気抵抗よりも著しく大きい。ギャップ部２５は、いわば、エアギャップまたは磁気ギャップである。なお、ギャップ部２５には、第１コア部２１の透磁率よりも低い透磁率を有する部材が設けられてもよい。

　各第１コア部２１の短辺と第２コア部２２の間に、隙間が設けられてもよい。なお、隙間が設けられず、これらの位置に磁性体が配置されてもよい。

　第２方向に隣り合う第１コア部２１の間のギャップ部２５は、コイル１０の導線７に交差するように延在することが好ましい。言い換えれば、ギャップ部２５の軸線（ギャップ部２５の長手軸）は、コイル１０の導線７を横切ることが好ましい。ギャップ部２５の軸線は、導線７に平行ではないことが好ましい。つまり、ギャップ部２５の軸線は、磁束Ｂ１の方向と平行、もしくは磁束Ｂ１に対して所定の鋭角（４５度未満）をなすことが好ましい。

　磁束Ｂ１に対して４５度ずれた磁束Ｂ２を中心とする４方向では、四隅に位置するギャップ部２５の存在により、第１コア部２１に沿うように磁束Ｂ３（一点鎖線の矢印参照）の方向に磁路が形成される。その結果、磁束Ｂ１を中心とする４方向に磁束密度が高くなる。全体として、フェライトコア２０による磁気特性の制御が可能になっている。

　フェライトコア２０における磁気特性の制御を可能とするためには、第１コア部２１の占積率に疎密をつけることが必要である。以下、図３を参照して、占積率の疎密について説明する。図３は、フェライトコア２０における第１コア部２１の占積率に基づく領域区分を示す図である。第１コア部２１の占積率は、Ｚ方向（第１方向および第２方向の両方に垂直な第３方向）にコイル１０が投影された領域を基準として定められ得る。言い換えれば、第１コア部２１の占積率は、コイル１０がＸＹ平面へと投影された領域（コイル１０の外縁形状）を基準として定められ得る。占積率は、その投影領域内の一定範囲に存在する第１コア部２１の体積（厚みの概念を含む体積）に基づいて定められ得る。一定範囲とは、たとえばコイル１０の投影領域の少なくとも１０分の１程度の面積を有する範囲である。一定範囲とは、第１コア部２１，２１の間のギャップ部２５のような小さな範囲ではなく、それよりも大きな範囲である。占積率は、その一定範囲に存在する第１コア部２１の体積を、その一定範囲の全体積で除すことで算出される百分率である。

　フェライトコア２０には、第１コア部２１の占積率が一定以上である第１領域Ｃ１と、第１領域Ｃ１における占積率よりも第１コア部２１の占積率が低い第２領域Ｃ２と、が形成されている。第２領域Ｃ２は、少なくともギャップ部２５を含む。第１領域Ｃ１は、上記のように算出された占積率が第１の値以上である範囲の集合である。第２領域Ｃ２は、ギャップ部２５を含み、且つ、上記のように算出された占積率が第２の値以下（第２の値は第１の値より小さい）である範囲の集合である。このようにして、フェライトコア２０には、第１コア部２１に関して高密度領域（第１領域Ｃ１）と低密度領域（第２領域Ｃ２）とが形成されている。

　本実施形態では、図３に示されるように、複数の第１コア部２１が存在する領域のうち、コイル１０の投影領域に重なる一定範囲が、第１領域Ｃ１である。また、四隅に位置するギャップ部２５のうち、コイル１０の投影領域に重なる一定範囲が、扇状の第２領域Ｃ２である。第１領域Ｃ１では、第１コア部２１の占積率は、たとえば８０％以上である。第２領域Ｃ２では、第１コア部２１が存在せず、第１コア部２１の占積率は０％である。第２領域Ｃ２は、たとえばコイル１０の曲部領域に相当する。第１領域Ｃ１における第１コア部２１の占積率、および、第２領域Ｃ２における第１コア部２１の占積率は、それぞれ、上記とは違ってもよい。たとえば、第１領域Ｃ１における第１コア部２１の占積率は、たとえば７０％以上であってもよいし、６０％以上であってもよい。第２領域Ｃ２における第１コア部２１の占積率は、第１領域Ｃ１における第１コア部２１の占積率よりも小さければよい。第２領域Ｃ２における第１コア部２１の占積率と、第１領域Ｃ１における第１コア部２１の占積率との差は、６０％以上であってもよいし、５０％以上であってもよい。

　また、第２コア部２２が存在する領域は、矩形状の第３領域Ｃ３である。第３領域Ｃ３は、巻軸Ａを含む。第２コア部２２は磁束に対する方位性をもった形状をなしていないため、第２コア部２２は、請求の範囲に記載の「コア部」に相当しない。したがって、この第３領域Ｃ３では、第１コア部２１が存在せず、第１コア部２１の占積率は０％である。

　サーキュラー型のコイル１０において、第１コア部２１の占積率が高い第１領域Ｃ１は、巻軸Ａに対して径方向に延在することが好ましい。たとえば、フェライトコア２０のように、フェライトが十字状に配置されてもよい。フェライトが放射状に配置されてもよい。

　続いて、図４以降を参照して、上記したコイル装置１のフェライトコア２０によって実現される磁気特性について考察する。条件は以下のとおりである。
（ｉ）コイル、シールド材の形状は、地上（送電側）と車載（受電側）で同じとする。
（ｉｉ）片側のフェライト形状（ここでは地上側のフェライト形状）のみを変化させて、コイルの磁気特性を考察する。
（ｉｉｉ）ギャップの設置案（図４に示される第１モデルＭ１）を用い、十字状の領域で磁束を集中（制御）するパターンを作成した。
（ｉＶ）ギャップの配置を変えることにより、
　ａ）フェライトコア中の磁束密度分布、及び
　ｂ）送電コイルのインダクタンス、結合係数を評価パラメータとした。
　以下、図４，６，７，９，１０において示される濃淡は、磁束密度分布を示す。色が濃いほど磁束密度が高いことを意味する。フェライトコアの厚み（Ｚ方向における厚み）及びコイル電流値は、いずれも等しい。

　図９に示されるように、比較例１に相当するモデルＭ２００では、フェライトコアが、複数の分割片Ｐ２によって構成されている。正方形状の分割片Ｐ２は、Ｘ方向およびＹ方向に規則正しく配列されている。分割片Ｐ２，Ｐ２の間には隙間（ギャップ）が設けられており、全体として、格子状の隙間が形成されている。このように、モデルＭ２００では、第１コア部２１のような細長のコア部は設けられておらず、磁束に対するフェライトの方位性は存在しない。分割片Ｐ２は、巻軸Ａ周りの全方位に均等に配置されている。

　図９に示されるように、モデルＭ２００では、ギャップの影響により、全体的に磁束密度が低下している。このように、モデルＭ２００に相当するフェライトコアは、磁気特性の観点では不利であると言える。なお、機械強度を持たせる部材が設けられれば、モデルＭ２００に相当するフェライトコアは、構造面での優位性を持ちうる。

　図１０に示されるように、比較例２に相当するモデルＭ１００では、フェライトコアが、１枚のフェライト板Ｐ１００によって構成されている。正方形状のフェライト板Ｐ１００には、隙間や空隙（ギャップ）は形成されていない。

　図１０に示されるように、モデルＭ１００では、ギャップが無いので、磁束は等方に広がっている。このように、モデルＭ１００に相当するフェライトコアは、良好な磁気特性を実現し得ると言える。一方、機械強度を持たせる部材が設けられ得ないため、構造面では不利である。

　これらのモデルに対し、実施例であるフェライトコア２０に相当する第１モデルＭ１（図４参照）では、上述のモデルＭ２００を改変し、磁束の向きに垂直な隙間（ギャップ）の一部に、磁性体が敷き詰められている。言い換えれば、いくつかの結合片Ｐ１が結合され、一体の磁性体に変更されている。この変更により、磁束の方向に延在する複数の結合片Ｐ１が設けられている。なお、四隅に位置する複数の結合片Ｐ１は、モデルＭ２００から変更されていない。第１モデルＭ１において、エアギャップはＸ方向およびＹ方向に均等に設けられている。かつ、磁束の向きに対し垂直成分のエアギャップが埋められている。

　図４に示されるように、実施例であるフェライトコア２０に相当する第１モデルＭ１では、ギャップの最適化により、十字状の領域に磁束が集中している。図３および図４の対比から明らかなように、第１領域Ｃ１には、磁束密度が高くなっており、薄い灰色と濃い灰色がつけられている。第２領域Ｃ２には、磁束密度が低くなっており、もっとも薄い色がつけられている。第１なお、フェライトコア２０と第１モデルＭ１とでは、ギャップに関して厳密に同一ではないが、第１モデルＭ１を用いたシミュレーションにより、磁束が集中する傾向は正しく把握され得る。なお、四隅に位置する分割片Ｐ２における磁束密度が小さいことは、第２領域Ｃ２に第１コア部２１を配置する意義が低いことを意味している。

　上述したとおり、図２および図３に示されるフェライトコア２０（図４に示される第１モデルＭ１）は、磁束密度を制御するための制御手段を含む。この制御手段は、コイル１０の周りに発生する磁場の方向付けおよび集約を行い、フェライトコアに隙間または空隙が設けられない場合（図１０のモデルＭ１００に相当）における磁束密度に比して、高い磁束密度を有する第１領域Ｃ１と低い磁束密度を有する第２領域Ｃ２とを形成する。

　図５は、実施例および比較例１，２におけるインダクタンス（Ｌ）および結合係数（ｋ）を示す図である。図５に示されるように、第１モデルＭ１では、エアギャップ無しのモデルＭ１００に比して、インダクタンスおよび結合係数のいずれもが９割以上の値を実現しており、磁気特性が確保されている。一方、ギャップが等間隔に設けられたモデルＭ２００では、モデルＭ１００に比して、インダクタンスは６割以下、磁気特性も８割以下に低下している。なお、図示されないが、抵抗値（Ｒ）に関しても、第１モデルＭ１では、モデルＭ１００に比して約３割の増加に抑えられた。一方で、モデルＭ２００では、モデルＭ１００に比して約６割もの増加が見られた。これは、第１モデルＭ１ではモデルＭ２００に比べギャップからの漏れ磁界によるシールド材に生じる渦電流損が抑制されていることを意味する。

　本実施形態のコイル装置１によれば、磁性体である第１コア部２１は、磁束の向きに平行な第１方向に連続して延在する。第１コア部２１の両側には、第１コア部２１に沿って延在するギャップ部２５が設けられる。ギャップ部２５に囲まれた（挟まれた）第１コア部２１は、第１方向においてより長くなっている。コイル１０の周りに発生する磁束は第１コア部２１に集中し得る（図４参照）。第１コア部２１の占積率が一定以上である第１領域Ｃ１に磁束を集中させることにより、磁束量を制御でき、所望の磁気特性を得ることができる。第１コア部２１の占積率が低い第２領域Ｃ２は、フェライト量の低減に寄与する。このコイル装置１では、磁束の向きに着目し、磁束の向きにより長い第１コア部２１が密に配置される第１領域Ｃ１と、第１コア部２１が疎に配置される第２領域Ｃ２とが設定されている。これにより、フェライト量の低減の度合いに比して、磁気特性の低下の度合いは抑えられている（図５参照）。このように、第１コア部２１の配置に疎密をつけることにより、磁気特性の制御が可能になっている。その結果として、フェライト量を低減しつつ、所望の磁気特性、すなわちコイルのインピーダンスや結合係数、さらにコイル装置１の指向性についても持たせ得ることができる。

　別の観点から本実施形態に係るフェライトコア２０を説明する。本実施形態では、コイル１０（送電コイル）、フェライトコア２０（高透磁率を有する磁性材）、ベース４（シールド材すなわち磁気シールド特性を有する導電体）からなり、コイル１０の導線７に平行なエアギャップで囲んだエリアと、コイル１０の導線７に垂直なエアギャップで囲んだエリアとのどちらか一方もしくは双方からなるフェライトコアの分割方法が採られている。上記の垂直なエアギャップで囲んだエリアでは磁束密度は増加し、上記の平行なエアギャップで囲んだエリアでは磁束密度は減少する。さらに、磁束を特定方向に集中させることにより、コイル装置１に指向性を持たせることも可能と考えられる。また、コイル形状に合わせたギャップを設けることにより、磁束密度分布を制御または調整し、磁気特性を保ったままフェライトの占積率を下げることも可能と考えられる。

　第１コア部２１の占積率が０％である第２領域Ｃ２が形成された場合、その第２領域Ｃ２には、第１コア部２１が設けられない。よって、その第２領域Ｃ２は、フェライト量の低減に大きく寄与する。

　上記実施形態のように十字状の第１領域Ｃ１は、径方向に延在している。径方向に延在する第１領域Ｃ１によれば、サーキュラー型のコイル１０に適した磁気特性の確保が可能である。また、第１領域Ｃ１において所望の磁気特性を確保した上で、第２領域Ｃ２を適切に設け、それによってフェライト量の効率的な低減を図ることもできる。

　第１コア部２１，２１の間のギャップ部２５は、コイル１０の導線７に対して交差するように延在する。この場合、漏れ磁界の抑制効果によるインダクタンスおよび結合係数の低下を防ぐことができる。ベース４（シールド材）によって渦電流の損失が抑制され、送電コイル抵抗値の低減効果が得られる。その結果、非接触給電システムの給電効率が上昇する。

　本開示の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

　第１コア部２１の配置は、適宜、変更または設定され得る。たとえば、図６に示される第２モデルＭ２のように、Ｙ方向のギャップのみが設けられた形態が採用されてもよい。図６において薄い灰色と濃い灰色がつけられた領域のうち、コイル１０に重なる領域が第１領域Ｃ１である。この場合、コイル装置１に指向性を持たせることができる。すなわちこの場合モデルＭ２００と比較したとき、Ｙ方向への位置ズレに対し結合係数を高くすることが出来る。この場合に、ギャップ部を含む第２領域、すなわち図中において磁束密度が低くなっている領域に非磁性材を配置することも可能である。Ｘ方向のギャップのみが設けられた形態が採用されてもよい。

　また、図７に示される第３モデルＭ３のように、斜めにギャップが設けられた形態、すなわちＸ方向およびＹ方向に対して４５度（若しくは４５度以外の鋭角）に延在する結合片Ｐ４（コア部）が設けられた形態が採用されてもよい。図７において薄い灰色と濃い灰色がつけられた領域のうち、コイル１０に重なる領域が第１領域Ｃ１である。この場合も、モデルＭ２００と比較したとき、ＸＹ方向（斜め方向）への位置ズレに対し結合係数を高くすることが出来る。この場合に、ギャップ部を含む第２領域、すなわち図中において磁束密度が低くなっている領域に非磁性材を配置することも可能である。

　図８に示される第２実施形態に係るフェライトコア２０Ａのように、Ｘ方向およびＹ方向に十字状に配列された複数の分割コア２６を備えた形態が採用されてもよい。この場合、隙間なく並べられた分割コア２６によって、第１コア部２１Ａが形成されている。言い換えれば、本開示におけるコア部は、一体のコア部であってもよいし、別体の分割コアが集合されてなるコア部であってもよい。このようなフェライトコア２０Ａによっても、第１実施形態のフェライトコア２０と同様の作用・効果が奏される。

　上述したとおり、図６に示される第２モデルＭ２に相当するフェライトコア、図７に示される第３モデルＭ３に相当するフェライトコア、および、図８に示されるフェライトコア２０Ａは、それぞれ、磁束密度を制御するための制御手段を含む。これらの制御手段は、コイル１０の周りに発生する磁場の方向付けおよび集約を行い、フェライトコアに隙間または空隙が設けられない場合（図１０のモデルＭ１００に相当）における磁束密度に比して、高い磁束密度を有する第１領域Ｃ１と低い磁束密度を有する第２領域Ｃ２とを形成する。

　上記の各態様において、第２領域Ｃ２のうち第１コア部２１が設けられない領域には、第１コア部２１よりも高強度であって、かつ、第１コア部２１の透磁率よりも低い透磁率を有する補強部材が設けられてもよい。たとえば、図１および図２に示されるフェライトコア２０や、図８に示されるフェライトコア２０Ａに対して、四隅のギャップ部２５に補強部材が設けられてもよい。巻軸Ａの位置に設けられたコア部に代えて、巻軸Ａの位置に、補強部材が設けられてもよい。この場合、第１コア部２１には高透磁率材料が用いられ、補強部材には低透磁率材料が用いられ得る。高透磁率材料として、たとえばＦｅ_Ｃｏ系アモルファス磁性材、ＰＣ－パーマロイ、またはＭｎ_Ｚｎ系フェライト材などが挙げられる。一般に、導電率が高いと、渦電流損によりコイルの抵抗値も上昇してしまうので、低導電率であるフェライト材が、非接触給電システムには適する。

　補強部材が設けられたフェライトコアでは、磁束量を抑えた第２領域Ｃ２にて機械強度を高めるための補強部材が設けられるので、構造面（機械強度）で有利である。たとえば、ギャップ無しのフェライト板（図１０のモデルＭ１００に相当）に比べても、有利である。

　特許文献１に記載されたような従来の技術では、フェライトコアの間にギャップ板が設けられているが、フェライトコアの配置に疎密は設定されていない。ギャップ板に構造上の強度をもたせているが、機械強度と磁気特性がトレードオフの関係になっていた。すなわち、特許文献１に記載された均一な配置では、フェライトコアの占積率を上げればギャップは減り、フェライトコアの占積率を下げればギャップは増えるに過ぎない。

　第２領域Ｃ２に補強部材が設けられた本開示の形態によれば、磁気特性をさほど低下させずに機械強度を向上させることができる。言い換えれば、エアギャップを用いてフェライトコア中の磁束を制御し、磁束密度の大小に合わせた２つの領域に分け、高透磁率材料及び低透磁率材料を使い分けることにより、磁気特性および機械強度性能を制御可能である。エアギャップに、導線７に垂直に延びるリブなどを設けることにより、エアギャップ無しの場合に比べて、構造面（機械強度）においても有利に働く。コア部間の間隔、及び、コイル１０の導線７に平行なエアギャップで囲んだエリア（磁束量を抑えた領域）により、低比重の樹脂等の構造物を入れることで、軽量化、コストメリットにつながる。エアギャップを等間隔に配置し、かつエアギャップを幅広に設けるほど、機械強度に対しては有利になる。

　フェライトコアは、矩形（正方形や長方形等）に限定されず、円形等の他の形状であってもよい。フェライトコアは、上記した形状の要件（方位性）を満たしさえすれば、単一のフェライト板によって形成されてもよい。

　ソレノイド型のコイルに対して、本開示のコイル装置が適用されてもよい。その場合でも、コイルが設けられた領域（投影領域）に対して、コア部が密に配置された第１領域と、コア部が疎に配置された第２領域とを形成することで、磁気特性の制御が可能である。また、ギャップ部は、導線に対して交差するように延在することが好ましい。

　水中航走体といった車両以外の移動体のバッテリを充電するための非接触給電システムに、本開示のコイル装置が適用されてもよい。また、モータやセンサー等の電力を消費する部品に電力を直接的に供給するシステムに、本開示のコイル装置が適用されてもよい。誘導加熱システムや渦流探傷システムに、本開示のコイル装置が適用されてもよい。

　「電磁誘導方式」または「磁界共鳴方式」を用いた送受信アンテナに、本開示のコイル装置が適用されてもよい。

　本開示のいくつかの態様によれば、フェライト量を低減しつつ、所望の磁気特性を得ることができる。

１　コイル装置
３　カバー
４　ベース
６　ボビン
７　導線
１０　コイル
２０　フェライトコア
２１　第１コア部（コア部）
２１Ａ　第１コア部（コア部）
２２　第２コア部
２５　ギャップ部
Ａ　巻軸
Ｂ１　磁束
Ｂ２　磁束
Ｃ１　第１領域
Ｃ２　第２領域

Claims

　導線を含むコイルと、
　前記コイルに隣接するフェライトコアと、を備え、
　前記フェライトコアは、
　前記コイルの周りに発生する磁束の向きに平行な第１方向に連続して延在する磁性体であるコア部であって、前記第１方向における前記コア部の長さが、前記第１方向に直交する第２方向における前記コア部の長さよりも長くなるように構成された前記コア部と、
　前記第２方向における前記コア部の両側に形成されると共に前記コア部に沿って延在し、前記コア部の透磁率よりも低い透磁率を有するギャップ部と、を含み、
　前記フェライトコアには、前記第１方向および前記第２方向の両方に垂直な第３方向に前記コイルが投影された領域内において、前記コア部の占積率が一定以上である第１領域と、少なくとも前記ギャップ部を含み、前記第１領域における占積率よりも前記コア部の占積率が低い第２領域と、が形成されている、コイル装置。
　前記フェライトコアには、前記第３方向に前記コイルが投影された領域内において、前記コア部の占積率が０％である前記第２領域が形成されている、請求項１に記載のコイル装置。
　前記コイルは、巻軸を囲むようにして前記導線が渦巻状に巻回されたサーキュラー型のコイルであり、
　前記第１領域は、前記巻軸に対して径方向に延在する、請求項１または２に記載のコイル装置。
　前記第２方向に隣り合う前記コア部の間の前記ギャップ部は、前記コイルの前記導線に対して交差するように延在する、請求項１～３のいずれか一項に記載のコイル装置。
　前記第２領域のうち前記コア部が設けられない領域には、前記コア部よりも高強度であり、かつ、前記コア部の透磁率よりも低い透磁率を有する補強部材が設けられる、請求項１～４のいずれか一項に記載のコイル装置。
　導線を含むコイルと、
　前記コイルに隣接するフェライトコアと、を備え、
　前記フェライトコアは、前記コイルの周りに発生する磁場の方向付けおよび集約を行い、前記フェライトコアに隙間または空隙が設けられない場合における磁束密度に比して、高い磁束密度を有する第１領域と低い磁束密度を有する第２領域とを形成する、磁束密度を制御するための制御手段を含む、コイル装置。