JP2013165190A - フレキシブルコイル及びこれを用いたワイヤレス受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤレス給電装置において、受電コイルが実装できないほど受電側の装置が小さい場合にも、給電側より伝送効率の良い給電を実現する。
【解決手段】可撓性の絶縁基材の中央部分に設けられた切込みと、この切込みを囲むように前記絶縁基材上に設けられた略渦巻き状のコイルパターンからなり、前記切込みを押し広げることで前記コイルパターンの周回面積を広げるようにしたフレキシブルコイル１２を受電側に用いる。
【選択図】図５

Description

本発明は、コネクタなどの接続をせずに近傍界に電力を伝送する、電磁誘導方式のワイヤレス給電装置に使用する電力伝送コイルに関するものである。

ワイヤレス給電装置は、携帯可能な受電装置に組み込まれる受電コイルに電磁結合する給電コイルを固定側の装置に有し、給電コイル側から受電コイル側に給電を行うものであり、携帯電話端末やＰＤＡ、またはその電池などへの無接点充電を行うものである。接点のない本方式は、接点部の汚れや、メッキはがれ、変形などがなく長期の信頼性を確保できるメリットがある。

このような携帯に適した機器は、近年の高機能化に伴って、多くの部品が微細化の一途をたどっており、本願発明はこのような技術革新の中でワイヤレス給電装置にも求められる微小化への一方法を記すものである。

図３にワイヤレス給電装置の回路の一例を示す。
給電をする給電装置１０には給電のための磁界を発する給電コイル１１があり、搬送波を発する。

受電をする受電装置２０の受電コイル２１は給電コイル１１と中心軸を合わせるように向き合って配置されていて、受電コイル２１の両端には誘導起電力が発生する。受電コイル２１の両端は交流波形が発生するが、整流回路２３および平滑コンデンサ２４によって、直流が得られる。得られる直流電流は、受電装置２０を駆動させる電池への充電を行うものであり、受電コイル２１で得られる電力を電池へ充電する回路をもっている。負荷２５は充電回路などを意味するものである。

また、共振コンデンサ２２は受電コイル２１と共振回路周波数ｆ１を持っていて、給電装置１０の給電コイル１１が搬送波の周波数をｆ１としたときに最も効率の良い伝送が行われる。
非接触給電の電力の伝送効率は、電池への充電時間、信頼性などに影響する。
伝送効率が悪化した状態での非接触給電は、充電が想定以上の時間かかるので、電池への十分な充電量を確保できなかったり、充電が途中で停止するなどの不具合を起こす。

ワイヤレス給電装置において、伝送効率を上げるための給電コイルと受電コイルの構成は一般的に以下の設計指標のいくつかを組み合わせている。
・受電コイルのサイズを大きくして、給電コイルと受電コイルの向き合う面積Ｓを大きく して、受信コイルがより多くの磁束φを得られるようにする。
・受電コイルの巻き数ｎを多くして、より大きな起電力Ｖを得られるようにする。
・給電コイルと受電コイルの同心円の中心軸を合わせる。
・給電コイルと受電コイルの対向する距離を短くする。
・給電コイルから受電コイルへの磁束φの漏れを抑えるべく磁性体を使用する。
・受電コイルとコンデンサからなる共振回路の周波数と給電コイルから発する搬送波の周 波数を同じとする。

近年の携帯機器の高機能化に伴って内部の部品が加速度的に小型化の一途をたどっており、このような背景の中、受電コイルの小型化についても以下のような技術を見ることができる。

特許文献１で述べている第１の方法としては、携帯用小型電子機器、移動体通信機器等の充電式バッテリーに対する非接触方式による電力供給装置に関するものであり、機器本体の小型化を行うために受電コイルを積層化してコイル巻数ｎを増やしながら厚み方向の大きさを抑えるものである。

コイル導体の内周部及び外周部を磁性体で覆い、かつ、前記コイル導体の上部及び下部を非磁性体で挟んだ開磁路構造とした積層コイル部品となっている。
ファラデーの電磁誘導の法則
φ＝ ＢＳ φ：磁束 Ｂ：磁束密度 Ｓ：面積
Ｖ＝ −ｎｄφ／ｄｔ Ｖ：誘導起電力 ｎ：巻き数
から、コイルの巻き数ｎを増やすことでより大きな誘導起電力を得ようとするものである。

特許文献２で述べている第２の方法によれば、
給電コイルと受電コイルのそれぞれにコの字型磁心があり、給電コイルの磁脚の断面積を受電コイルの磁脚の断面積より大きくすることで、給電コイルの磁心に戻る漏れ磁束を少なくして、磁気伝送効率を向上し、小型化するものである。
いずれも受電コイルの小型化の制約の中でワイヤレス給電の伝送効率の向上に寄与するものである。

あるいは電源コードを巻き取る電気掃除機のような構造で、電源コードが単線であってこれをループ状にユーザーが巻いてコイルを形成することもできる。充電時にユーザーが装置に巻き取られたコード上のコイルを引き出して、送電コイルに向き合うようにコイルを何周にも巻くことも可能である。

背景技術で述べてきた受電コイルの小型化の制約の中でのワイヤレス給電の伝送効率の向上手段にも以下のような課題があった。
はじめにコイルパターンの設計に関しては、一般的に以下のような設計指標を持って行うものである。

前記ファラデーの電磁誘導の法則から、部品の小型化に伴ってコイルの体積Ｓも小さくなる。それを補うようにコイルの巻き数ｎを増やすことでより大きな誘導起電力Ｖを得ようとするものである。コイルの巻き数ｎを多く取ろうとすれば、コイルのパターン長を長く、線径を細くしていくことになる。その結果、直流抵抗は大きく増大することになり、取り出せる電流は小さくなっていく。誘導起電力と取り出せる電流とのそのようなトレードオフの関係から、最適なコイルの大きさ、コイルの線径、巻き数などを決めていくことになる。

このようなことを念頭に特許文献１で述べている第１の方法を考えてみる。
受電コイルが捕らえる磁束の量は、コイルの直径を半分としたときに面積Ｓは１／４となるので、コイルの直径が１のときと同じ起電力を得るには巻き数ｎを４倍とする必要がある。さらにコイルの直径が１／１０であるならば、巻き数ｎは１００倍必要になる。巻き数ｎが必要な分、体積が必要になることになる。

そこに加えてコイルの線径が細くなることで、直流抵抗が大きくなり、取り出せる電流が小さくなるなどのデメリットが生じてくる。
それらの課題の解決のために積層印刷法や磁性体の使用、極細パターンを使用したり、抵抗率を下げるために銀ペーストを使用するなどして、相当のコストがかかる問題が新たに発生する。

特許文献２で述べている第２の方法によれば、磁束漏れを抑えるべく、給電コイルと、受電コイルの双方に磁性体を設けるものであるので、相当の磁性体の総量を必要とするものであり材料費がかさむ。
大きな磁性体を使用すれば、携帯する装置の場合に落下衝撃に耐えうる構造や補助部材の用意など、さらにそれらの材料費も投入する必要がある。

特許文献３で述べている第３の方法は、ポリミイドフィルム基材上に渦巻状にコイルパターンを形成して、パターンの端のコンタクト部の形成に関するものであるが、コイルパターンの周回面積はフィルム基材の面積より大きくはできないので、小さな面積でも特許文献１と同様により大きな起電力を得るためにコイルパターンの線径を小さくしたり、その抵抗値を下げるための対策などの相当のコストがかかる問題が発生するものである。

あるいは電源コードを巻き取る電気掃除機のような構造で、電源コードが単線であってこれをループ状にユーザーが巻いてコイルを形成することもできる。この場合、ユーザーが充電時にコイルを巻き上げる枠組みが必要だったり、収納時に装置にコードを巻き取るリール状の構造などが必要になり、コストのかかるものになる。

特開平１１−３８２９号公報 特開２００２−１９９５９８号公報 特開平０５−２２６１４１号公報

上記の従来技術では、受電コイルが実装できないほどに本体が小さい場合に至っては効率の良いワイヤレス給電の伝送は、到底解決することのできない課題となっていた。

本発明は、ワイヤレス給電装置における受電コイルに関するもので、未使用時には可撓性の絶縁部材を基材としているので、折り畳み、巻き込みなどしてコイルのサイズを小さく収納することができ、充電使用時には、ループ状にコイルのサイズを大きく開くことができる低コストかつ伝送効率の高いフレキシブルコイルの発明に関するものである。

本発明における受電コイルは、可撓性の絶縁部材を基材としているので、折り畳み、巻き込みなど収納に適した変形が可能であるので、携帯機器への収納に有利である。
コード状のコイルのように引き回しの煩わしさがなく、切り込みを押し広げるだけで良いので取り回しが容易である。

磁性材料など高価な部材も不要であり、汎用的なフレキシブル基板などの低コストの材料を使用できるため、部品コストも低減できる。フレキシブル部材の性質上、衝撃や落下などに強く、フレキシブル基板のパターン技術をもって、極細なループパターンを平面状に何周も形成できるので、体積も小さく、またコイルパターンの巻き数も増やせるので、多くの磁束を捉えることができ、高効率な磁気伝送を実現できる。

本発明の一実施例を説明するフレキシブルコイルの構成図である。 図１のコイルパターン１３を回路記号で説明する図である。 ワイヤレス給電回路の一例を示す図である。 本発明の一実施例であるフレキシブルコイルを切り込みより押し広げた図である。 図４のフレキシブルコイルを給電コイルに向き合わせてセットしたことを説明する図である。 本発明の一実施例を説明するフレキシブルコイルとコネクタの接続に関する図である。 本発明の第一の変形例であるフレキシブルコイルの収納時の構成を説明する図。である。 本発明の第一の変形例であるフレキシブルコイルを渦巻状に巻き込んだ状態を説明する図である。 本発明の第一の変形例であるフレキシブルコイルの給電時の構成を説明する図である。 本発明の第二の変形例であるフレキシブルコイルの収納時の構成を説明する図である。 本発明の第二の変形例であるフレキシブルコイルの給電時の構成を説明する図である。 本発明の第三の変形例であるフレキシブルコイルの収納時の構成を説明する図である。 本発明の第三の変形例であるフレキシブルコイルの給電時の構成を説明する図である。

背景技術の図３の説明にある受電装置２０の受電コイル２１を図１に示す本発明のフレキシブルコイル１２を使用して、その実施例を説明する。
図１は本発明のフレキシブルコイル１２の構造を記すものである。

フレキシブルコイル１２は薄い平板構造の可撓性の絶縁部材を基材１５としている。プリント基板等に使用されている素材と同じものを使用することにより、層間の絶縁耐圧、高周波特性、および耐熱ブレードを向上させることが出来る。絶縁体としてカバーレイと呼ばれるポリイミド膜もしくはフォトソルダーレジスト膜を用いても良い。

基材１５上に柔軟性を有する導体である金属板による渦巻き型のコイルパターン１３が基材外周始まり１１Ａから内側に時計回りに渦巻き状に配線されて、１１Ｂを終端とした図２で示す受電側の回路を構成する。金属板はフレキシブルプリント基板に使用される銅箔などが使用できる。このコイルパターンは、図１では直線からなる略渦巻き型として表してあるが、パターン形状はこれに限られるものではなく、直線と曲線からなるものでも良い。要は、基材１５上に一筆書き状に形成されているものである。

導電性を有する金属板の材料として、銅、アルミニウム、コバルト、ニッケル、スズ、鉛、鉄などあるいはそれらの合金など、基板１５を構成する絶縁材料として、ポリエチレン、ポリアミドイミド、ポリイミドなど、それらをフィルム状にしたものが使用できる。
また構成上の特質としてそれらの材料が、可撓性がある素材であることが必要である。
フレキシブルコイル１２の作成方法としては、印刷配線による手法が一般的に考えられる。

ひとつは、エッチング工程などのように絶縁材料と導電材料を一体化して貼り合わせ、シルク印刷などで残すべき部分を溶解液から保護するためのレジストパターンを形成したり、より細密なパターン形成する方法として、写真技術を応用して、感光性の樹脂の必要部分だけを露光して硬化させ、未露光の部分を取り除くなど、配線部分以外の不要な感光膜と導電膜をエッチング溶液で溶解除去するなどする方法がある。

もうひとつは、無電解メッキ、電気メッキなどのようにパターンを形成する部分以外をマスクし、これを金属塩と還元剤の混合水溶液に浸し、パターンにあたる金属を還元析出して形成する方法などもある。

フレキシブルコイル１２の両端をそれぞれＡ端、Ｂ端と命名して、Ａ端側にコイルパターンの終点である１１Ａ，１１Ｂ端を引き出すようにする。
コイルパターン１３の内側にこのパターンに囲まれるように、基材１５の表裏を切り裂く１本の切り込み１４がある。

充電機能を使用するときは、収納されたフレキシブルコイル１２を１方向に引き伸ばした後、図４に示されるようなフレキシブルコイル１２の切り込み１４を中心に押し広げて使用する。図５は、フレキシブルコイル１２の切り込み１４を中心に押し広げた中心付近に給電コイル１１を向き合うように配置したものである。

給電コイル１１から発する多くの磁束は、フレキシブルコイル１２の開いた切り込み１４の中を通ることになり、押し開いた面積の広さだけの磁束によって、フレキシブルコイル１２には多くの誘導起電力が発生する。

フレキシブルコイル１２を押し広げた状態は、受電コイル２１の磁束を受ける面積Ｓを大きくするものであり、伝送効率の向上を図ったものと同等の効果を生む。さらにファラデーの法則によって、フレキシブルコイル１２上に周回されたコイルの巻き数ｎに比例した誘導起電力Ｖを生み出す効果も持ち合わせている。双方の相乗効果を持って高い伝送効率を期待することができる。

図６に図３の受電側の回路のコネクタ２７とフレキシブルコイル１２との接続に関する説明をする。後に説明する受電側本体４１もしくは４２、４３は、受電側の回路の図３の２２〜２５を含んでいて、コネクタ２６をコイルパターンの端部である１１Ａ，１１Ｂにコネクタ２７を介して接続される。よってフレキシブルコイルのＡ端は本体側に支持固定されるものである。

充電機能を使用しないときは、フレキシブルコイル１２が小さく装置に収まることが望ましい。以下に、フレキシブルコイル１２を受電コイル２１として使用する実施形態について説明する。

まず、本発明における第一の変形例について説明する。図７のように受電側の回路の図３の２２〜２５を含む受電側本体４１の脇の収納スペース４１Ａにフレキシブルコイル１２をやはり巻き取って収納するような構造にもできる。 フレキシブルコイル１２は可撓性をもった薄い平板構造であるので、図８のように小さく巻き取ることができる。図８ではＡ端にコイルの１１Ａ，１１Ｂ端があるので、Ｂ端を中心にＡ端を外周として巻き取る様子を示している。そのようにすればＡ端の１１Ａ，１１Ｂ端を受電側本体に配線接続しやすいように引き回すことができる。

図９は第一の変形例にて給電時の実施形態を説明している。
給電側本体５０は図３の給電コイル１１および給電装置の回路１０を含んでいるものである。

収納スペース４１Ａに収納されるフレキシブルコイル１２を引き出してフレキシブルコイル１２を切り込み１４を中心に押し広げて、給電側本体５０の給電コイル１１に向き合うようにすれば、フレキシブルコイル１２は大きな面積で給電コイル１１の発する磁束を大きく取れることから、大きな起電力を得ることができる。
あるいは第二の変形例として図１０のようにフレキシブルコイル１２をジャバラ上に折り畳んで、本体４３の一部に収納するなどしても良い。

図１１は第二の変形例にて給電時の実施形態を説明している。
収納時は受電側本体４３にジャバラ上に折りたたまれたフレキブルコイル１２を引き出してやはり、フレキシブルコイル１２を切り込み１４を中心に押し広げて、給電側本体５０の給電コイル１１に向き合うようにして、給電を行うものである。

またあるいは、第三の変形例として図１２のようにフレキシブルコイル１２の中心に受電側本体４２を配置しても良い。この場合、フレキシブルコイル１２は図３の２２〜２５を含む受電側本体４２の周りに巻きつけるような収納が可能になる。フレキシブルコイル１２を収納スペースに収める手間がないので取り出し、収納が楽に行える。受電側本体４２の周囲が比較的大きく取れるようなときはフレキシブルコイル１２を押し開いたときの面積が大きく取れる有効な実施形態になる。

図１３の第三の変形例においては、受電側本体４２に巻いて収納されたフレキシブルコイル１２をやはり切り込み１４を中心に押し広げて、給電側本体５０の給電コイル１１に向き合うようにすれば、フレキシブルコイル１２は大きな面積で給電コイル１１の発する磁束を大きく取れることから、大きな起電力を得ることができる。受電側本体４２の周囲が比較的大きく取れるようなときはフレキシブルコイル１２を押し開いたときの面積が大きく取れる有効な実施形態になる。

第三の変形例にて直径１ｃｍの本体にフレキシブルコイルの周回長が１０ｃｍ、コイルパターンが３回のフレキシブルコイルを作成すると、収納時は装置本体４２の周囲に ５／π ＝ 約１．６回 巻いて収納できる。
これを充電時に開いて周回面積は２５π（半径５ｃｍ）、３周なので７５π相当の磁束を得られる。

本発明のコイルではなく装置内に直径１ｃｍのコイルに置き換えたときには、１周当たり０．２５πなので同じ磁束を得るには３００ターン相当の体積が必要であり、本発明による電力伝送の効率の良さが理解できる。

１０ 給電装置
１１ 給電コイル
１２ フレキシブルコイル
１３ コイルパターン
１１Ａ、１１Ｂ コイル１３の片端
１４ 切り込み
１５ 基材
１７ ドライバー
１８ 発振回路
２０ 受電装置
２１ 受電コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ 整流回路
２４ 平滑コンデンサ
２５ 負荷
２６ コネクタケーシング
２７ コネクタ
３１ 給電コイル１１と受電コイル２１の中心軸
４１、４２、４３ 受電側本体
４１Ａ 収納スペース
５０ 給電側本体

Claims (4)

1. 可撓性の絶縁基材の中央部分に設けられた切込みと、この切込みを囲むように前記絶縁基材上に設けられた略渦巻き状のコイルパターンとからなり、
   前記切込みを押し広げることで前記コイルパターンの周回面積を広げることを特徴とするフレキシブルコイル。
2. 前記フレキシブルコイルは、収納時に渦巻き状に丸めた形状であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルコイル。
3. 前記フレキシブルコイルは、収納時に蛇腹状に折り畳んだ形状であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルコイル。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載のフレキシブルコイルを用いたことを特徴とするワイヤレス受電装置。
   
   

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