JP2014057429A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電装置の小型軽量化かつ伝送効率低下の抑制が可能な非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】非接触電力伝送装置は、一次コイル２０を含む送電装置と、二次コイル４０を含む受電装置とを有する。一次コイル２０の一次側空間部２１の直径ｄ１は二次コイル４０の二次側空間部４１の直径ｄ２よりも小さく、かつ一次コイル２０の外径Ｄ１の二次コイル４０の外径Ｄ２に対する割合は０．７よりも小さい。
【選択図】図３

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関する。

非接触電力伝送装置は、送電装置および受電装置を備えている。非接触電力伝送装置は、送電装置と受電装置との間で非接触での電力伝送および電気信号伝送を行う。非接触電力伝送装置は、送電装置が備える一次コイルと受電装置が備える二次コイルの相対的な位置ずれにより電力伝送効率が低下する。このため、従来の非接触電力伝送装置は、二次コイルの外径に対する一次コイルの外径の割合を所定範囲内の値に設定している。なお、特許文献１は、従来の非接触電力伝送装置の一例を開示している。

特開２００８−２８９２４１号公報

従来の非接触電力伝送装置によれば、位置ずれ許容量の規格範囲内において、一次コイルの中央に位置する一次側空間部は二次コイルの中央に位置する二次側空間部と最大面積で重なる寸法に設定される。また、位置ずれ許容量の規格範囲内において、二次コイルは一次コイルと完全に重なる寸法に設定される。このため、一次コイルの外径が二次コイル外径よりも大きい。このため、送電装置の規模を増大させるおそれがある。

本発明は、以上の背景をもとに創作されたものであり、送電装置の小型化かつ位置ずれによる伝送効率の低下を抑制することが可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

（１）第１の手段は、「一次コイルを含む送電装置と、二次コイルを含む受電装置とを有する非接触電力伝送装置であって、前記一次コイルは導電線により囲まれて形成される一次側空間部を有し、前記二次コイルは導電線により囲まれて形成される二次側空間部を有し、前記一次側空間部の直径が前記二次側空間部の直径よりも小さく、かつ前記一次コイルの外径が前記二次コイルの外径よりも小さい非接触電力伝送装置」を含む。

（２）第２の手段は、「前記二次コイルの外径に対する前記一次コイルの外径の割合は０．７よりも小さい非接触電力伝送装置」を含む。
（３）第３の手段は、「前記二次コイルの外径に対する前記一次コイルの外径の割合は０．４２よりも大きい非接触電力伝送装置」を含む。

（４）第２の手段は、「前記一次コイルおよび前記二次コイルが平面コイルにより構成される非接触電力伝送装置」を含む。

本非接触電力伝送装置は、送電装置の小型化かつ位置ずれによる伝送効率低下の抑制に貢献する。

実施形態における非接触電力伝送装置の構成図。 実施形態における充電システムに関する図であり、（ａ）および（ｂ）は異なる一次コイル外径寸法での構成図。 実施形態における一次コイルおよび二次コイルに関する図であり、（ａ）は斜傾図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は（ｂ）の上面図におけるＺ３−Ｚ３線における断面構造図。 実施形態における一次コイルおよび二次コイルに関する図であり、（ａ）〜（ｃ）は試作品の断面構造図。 実施形態における一次コイルおよび二次コイルに関する図であり、（ａ）〜（ｃ）は試作品の電力伝送特性図。

（実施形態）
図１を参照して、非接触電力伝送装置１の構成について説明する。
非接触電力伝送装置１は、送電装置１０および受電装置３０を有する。送電装置１０は、直流電圧源１１、発振部１２、駆動部１３、および一次コイル２０を有する。

直流電圧源１１は、駆動部１３に直流電圧を供給する。発振部１２は、駆動部１３にクロック信号を供給する。駆動部１３は、発振部１２が出力するクロック信号に基づいて一次コイル２０に流れる電流の方向を切替える。駆動部１３は、一次コイル２０に交流電力を供給する。一次コイル２０は、電磁誘導作用を用いて受電装置３０の二次コイル４０に電力を伝送する。

受電装置３０は、二次コイル４０、整流回路３１、定電圧回路３２、および負荷３３を有する。整流回路３１は、二次コイル４０により受電した電力を整流する。定電圧回路３２は、整流回路３１の出力から安定化した所定値の電圧を発生する。定電圧回路３２は、発生電圧を負荷３３に供給する。

非接触電力伝送装置１は、図２に示されるように、非接触電力伝送に係る電子機器としての充電システム５０に適用される。充電システム５０は、充電台６０およびスマートフォン７０を有する。充電台６０は、平面コイルにより構成された一次コイル２０が埋め込まれている。スマートフォン７０は、平面コイルにより構成された二次コイル４０が埋め込まれている。充電台６０は、コード６１を介して電力が供給される。

充電台６０は、スマートフォン７０に内蔵されているバッテリー７１を充電するとき、コード６１を介して供給される電力を用いて充電台６０内の一次コイル２０に交流電力を供給する。充電台６０内の一次コイル２０は、充電台６０上に配置されたスマートフォン７０内の二次コイル４０に電力を伝送する。スマートフォン７０は、二次コイル４０により受電した電力を用いてバッテリー７１を充電する。

図３に基づいて、一次コイル２０および二次コイル４０の形状について説明する。
一次コイル２０は、外周に一次側巻線部２２を有し、中央部に一次側巻線部２２に囲まれて形成される一次側空間部２１を有する円形の平面コイルにより構成される。一次側巻線部２２は、導電線を平面に巻き回して構成される。二次コイル４０は、外周に二次側巻線部４２を有し、中央部に二次側巻線部４２に囲まれて形成される二次側空間部４１を有する円形の平面コイルにより構成される。二次側巻線部４２は、導電線を平面に巻き回して構成される。一次コイル２０は、一次側空間部２１の大きさが直径ｄ１、コイルの大きさが外径Ｄ１である。二次コイル４０は、二次側空間部４１の大きさが直径ｄ２、コイルの大きさが外径Ｄ２である。

スマートフォン７０内の二次コイル４０は、バッテリー７１を充電するとき、充電台６０内の一次コイル２０と互いに対向する位置に配置される。二次コイル４０は、スマートフォン７０が配置される充電台６０上の位置に応じて、一次コイル２０との相対位置が異なる。

充電システム５０は、充電台６０とスマートフォン７０との位置ずれに対する許容値が大きいことが望ましい。位置ずれは、一次コイル２０の中心および二次コイル４０の中心のいずれか一方が中心線８０上からずれたとき、一次コイル２０の中心と二次コイル４０の中心との距離として定義される。一次コイル２０および二次コイル４０は、位置ずれが生じた場合での電力伝送効率低下を抑制できることが望ましい。電力伝送効率は、バッテリー７１の充電時に、一次コイル２０が電力を伝送するのに消費する電力に対する二次コイル４０が受電する電力の割合として定義される。また、一次コイル２０および二次コイル４０は、位置ずれが生じた場合でのスマートフォン７０が消費可能な電力の低下を抑制できることが望ましい。

充電台６０は、二次コイル４０の外径Ｄ２よりも大きな一次コイル２０の外径Ｄ１が必要とされるとき、図２（ａ）に示されるように、スマートフォン７０に比べ大きなサイズとなる。充電台６０は、一次コイル２０の外径Ｄ１を、二次コイル４０の外径Ｄ２よりも小さくすることができると、図２（ｂ）に示されるように、スマートフォン７０に比べ小さなサイズとすることができる。

ここで、本願発明者は、一次コイル２０の外径Ｄ１を二次コイル４０径Ｄ２よりも小さくした場合について、電力伝送効率の位置ずれ特性の確認をおこなった。電力伝送効率の位置ずれ特性の確認は、一次コイル２０の外径Ｄ１および二次コイル４０径Ｄ２が異なる複数種類の試作品を用いて行った。

図４に、試作品における一次コイル２０および二次コイル４０の寸法を示している。
図４（ａ）に示される基準コイルは、一次コイル２０の外径Ｄ１が二次コイル４０の外径Ｄ２より大きな値に設定されている。図４（ｂ）に示される比較１コイルおよび図４（ｃ）に示される比較２コイルは、一次コイル２０の外径Ｄ１が二次コイル４０の外径Ｄ２よりも小さい。基準コイル、比較１コイル、および比較２コイルは、一次コイル２０の一次側空間部２１の直径ｄ１および二次コイル４０の二次側空間部４１の直径ｄ２が同一の値を有する。それぞれのコイル寸法は、一次コイル２０の一次側空間部２１の直径ｄ１を１とした規格化寸法で記載されている。基準コイル、比較１コイル、および比較２コイルは、一次コイル２０の外径Ｄ１の二次コイル４０の外径Ｄ２に対する割合がそれぞれ１．３３、０．７、および０．４２に設定されている。基準コイル、比較１コイル、および比較２コイルは、自己インダクタンスが等しい値に設定されている。

基準コイル、比較１コイル、および比較２コイルの電力伝送特性の確認結果を図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）に示している。
Ｘ軸に用いている位置ずれは、一次コイル２０の中心および二次コイル４０の中心のいずれか一方が中心線８０上からずれた距離を示している。

電力伝送特性は、出力電圧および効率の位置ずれ依存性として測定している。測定は、以下に記す条件で行った。送電側は、一次コイル２０に対して１２ｖの直流電圧を用いて供給する電流を周期が８．３μｓのクロック信号で切替える。受電側は、二次コイル４０で受電した電力を整流して負荷に対して２Ａの電流を供給する。出力電圧は、負荷に印加される電圧の測定値である。効率は、負荷が消費する電力と、送信側での１２ｖの直流電圧源が供給する電力の割合を測定した値である。

図５に示されるように、比較１コイルおよび比較２コイルは、基準コイルと同等の電力伝送特性であることが判る。
本願発明者は、比較１コイルおよび比較２コイルが基準コイルと同等の電力伝送特性を示す理由を、以下のように推測する。

二次コイル４０が発生する電力は、磁束が鎖交する二次側巻線部４２の導電線本数および二次側巻線部４２と鎖交する磁束線数に依存する。位置ずれによる磁束が鎖交する二次側巻線部４２の導電線本数および二次側巻線部４２と鎖交する磁束線数の減少がないとき、電力伝送特性は、位置ずれによる劣化を抑制できる。

一次コイル２０および二次コイル４０は、位置ずれによる磁束が鎖交する二次側巻線部４２の導電線本数の減少を以下のように抑制する。
送電装置１０は、一次コイル２０の導電線にパルス電流を供給することにより、磁束を発生する。このとき、磁束は、一次側空間部２１を通る経路で発生される。二次コイル４０は、一次コイル２０で発生した磁束を二次側巻線部４２の導電線と鎖交させることにより、誘導起電力を発生する。このとき、磁束が二次コイル４０の二次側空間部４１を通る経路にあるとき、磁束と鎖交する二次側巻線部４２の導電線本数が最も多くなる。一次コイル２０の一次側空間部２１の直径が二次コイル４０の二次側空間部４１の直径よりも小さいとき、一次コイル２０の一次側空間部２１は、位置ずれ発生時においても二次コイル４０の二次側空間部４１内に位置する。このため、位置ずれ発生時の、二次コイル４０の二次側空間部４１を通る磁束数の減少が抑制される。このため、一次コイル２０の一次側空間部２１の直径が二次コイル４０の二次側空間部４１の直径よりも小さいとき、電力伝送効率の位置ずれによる低下が抑制される。

一次コイル２０および二次コイル４０は、位置ずれに伴う二次側巻線部４２と鎖交する磁束線数の減少を以下のように抑制する。
一次コイル２０が発生する磁束数は、一次コイル２０の一次側巻線部２２と二次コイル４０の二次側巻線部４２とが対向する部分の面積の影響を受ける。一次コイル２０および二次コイル４０は、位置ずれによる一次側巻線部２２と二次側巻線部４２との対向面積の変動が少ないとき、位置ずれによる伝送効率の低下が抑制される。

上記考えに基づくと、電力伝送特性は、二次コイル４０の外径Ｄ２に対する一次コイル２０の外径Ｄ１の割合が０．４２よりも小さな構成においても、位置ずれによる電力伝送特性の変動は抑制されると推測できる。

実施形態の非接触電力伝送装置１は、一次コイル２０の一次側空間部２１の直径ｄ１を二次コイル４０の二次側空間部の直径ｄ２よりも小さな値とし、かつ二次コイル４０の外径Ｄ２に対する一次コイル２０の外径Ｄ１の割合を０．７よりも小さな値とする。

非接触電力伝送装置１は、以下の効果を奏する。
（１）非接触電力伝送装置１は、送電装置１０および受電装置３０を有する。送電装置１０は一次側空間部２１を有する一次コイル２０を有する。受電装置３０は二次側空間部４１を有する二次コイル４０を有する。一次コイルの一次側空間部２１の直径ｄ１は二次コイルの前記二次側空間部の直径ｄ２よりも小さく、かつ一次コイルの外径Ｄ１が二次コイルの外径Ｄ２よりも小さい。この構成によれば、位置ずれによる伝送効率の低下を抑制することが可能な非接触電力伝送装置１において、送電装置１０の小型軽量化が実現できる。

（２）非接触電力伝送装置１を適用した充電システム５０は、充電台６０の小型化が実現できる。このため、利用者の利便性が向上する。
（その他の実施形態）
本非接触電力伝送装置は、その他の実施形態を含む。以下、本非接触電力伝送装置のその他の実施形態としての実施形態の変形例を示す。なお、以下の各変形例は、互いに組み合わせることもできる。

・実施形態の一次コイル２０および二次コイル４０は、一次側空間部２１および二次側空間部４１を有する。ただし、一次コイル２０および二次コイル４０の構成は、実施形態に例示された内容に限られない。例えば、変形例の一次コイル２０および二次コイル４０は、一次コイル２０および二次コイル４０が対向する位置に配置されるとき、中心部に磁性体コアが配置される構成を有する。

・実施形態の非接触電力伝送装置１は、充電台６０およびスマートフォン７０を有する充電システム５０に適用される。ただし、適用例は、実施形態に例示された内容に限られない。例えば、変形例の非接触電力伝送装置１は、充電台および電動歯ブラシを有する充電システムに適用される。または、その他の充電システムに適用される。

・実施形態の非接触電力伝送装置１は、充電台６０およびスマートフォン７０を有する充電システム５０に適用される。ただし、適用例は、実施形態に例示された内容に限られない。例えば、変形例の非接触電力伝送装置１は、非接触カードリーダーおよびＩＣカードを有する非接触情報読み取りシステムに適用される。

（課題を解決するための手段に関する付記）
課題を解決するための手段は、下記の付記手段のとおり記述することもできる。
（１）付記手段１は、「前記一次コイルは、導電線を平面に巻き回して形成される一次側巻線部を有し、前記二次コイルは、導電線を平面に巻き回して形成される二次側巻線部を有する非接触電力伝送装置」を含む。

１…非接触電力伝送装置１、１０…送電装置、２０…一次コイル、２１…一次側空間部、３０…受電装置、４０…二次コイル、４１…二次側空間部、ｄ１…一次側空間部直径、ｄ２…二次側空間部直径、Ｄ１…一次コイル外径、Ｄ２…二次コイル外径。

Claims (4)

1. 一次コイルを含む送電装置と、二次コイルを含む受電装置とを有する非接触電力伝送装置であって、
   前記一次コイルは導電線により囲まれて形成される一次側空間部を有し、
   前記二次コイルは導電線により囲まれて形成される二次側空間部を有し、
   前記一次側空間部の直径が前記二次側空間部の直径よりも小さく、かつ前記一次コイルの外径が前記二次コイルの外径よりも小さい
   非接触電力伝送装置。
2. 前記二次コイルの外径に対する前記一次コイルの外径の割合は０．７よりも小さい
   請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記二次コイルの外径に対する前記一次コイルの外径の割合は０．４２よりも大きい
   請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記一次コイルおよび前記二次コイルが平面コイルにより構成される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。