JP2010259171A

JP2010259171A - 非接触伝送装置

Info

Publication number: JP2010259171A
Application number: JP2009104440A
Authority: JP
Inventors: Kyohei Kada; 恭平加田; Takeshi Yano; 武志矢野; Kazutaka Suzuki; 一敬鈴木; Akihide Sugawa; 晃秀須川; Atsushi Isaka; 篤井坂
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-11-11
Also published as: WO2010122389A1

Abstract

【課題】コイル間に位置ずれが生じた場合においても通常使用時と同一の電力又は信号強度で送受することのできる非接触伝送装置を提供する。
【解決手段】磁気結合により電力又は電気信号を送る１次側コイル１と、１次側コイル１と対向配置されるとともに磁気結合により１次側コイル１からの電力又は電気信号を受ける２次側コイル２とを備え、１次側コイル１に対する２次側コイル２の位置の基準となる基準パターンにおけるコイル間の結合係数ｋと、１次側コイル１に対する２次側コイル２の位置が基準パターンと異なるずれパターンにおけるコイル間の結合係数ｋとが同一となるように、１次側コイル１の内径ｒ１及び２次側コイル２の内径ｒ２を設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１対のコイルを介して非接触で電力又は電気信号を送受する非接触伝送装置に関する。

近年、例えば携帯端末を充電器に載置することで携帯端末を非接触で充電する等、２つの電気機器間において電力又は電気信号を非接触で送受する非接触伝送装置が脚光を浴びている。このような非接触伝送装置においては、一方の電気機器の１次側コイルに高周波信号を印加すると、外部磁界が発生して他方の電気機器の２次側コイルに誘起電圧が発生する。そして、この誘起電圧をダイオード等で整流することにより、他方の電気機器に内蔵された二次電池を充電することができる。また、１次側コイル及び２次側コイルの磁気結合により、信号を非接触で双方向に伝送することもできる。

上記のような非接触伝送装置においては、１次側コイルに対する２次側コイルの相対的な位置がずれる等して１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が変化し、充電効率や信号の伝送効率が低下するという問題があった。この問題を解決するものとして、例えば特許文献１，２に開示されているようなものがある。特許文献１，２に記載の発明では、１次側コイル及び２次側コイルの各々の内径及び外径の比率を定めたり、各コイルの内径及び外径の相互関係を定めたりすることで、１次側コイルに対する２次側コイルの相対的な位置ずれが生じた場合における充電効率や信号の伝送効率を高めている。

特許第３８８７８２８号公報特開２００８−２８９２４１号公報

しかしながら、上記従来例では、１次側コイルに対する２次側コイルの相対的な位置ずれが生じた場合における充電効率や信号の伝送効率を高めることができるものの、コイル間に位置ずれが生じていない通常使用時に対して許容された範囲内の充電効率や信号の伝送効率で電力又は電気信号を送受できるに過ぎない。したがって、コイル間に位置ずれが生じた場合と通常使用時とで同一の電力又は信号強度で送受することができず、電力の送受電及び信号の送受信の信頼性が低下する虞があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、コイル間に位置ずれが生じた場合においても通常使用時と同一の電力又は信号強度で送受することのできる非接触伝送装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、磁気結合により電力又は電気信号を送る１次側コイルと、１次側コイルと対向配置されるとともに磁気結合により１次側コイルからの電力又は電気信号を受ける２次側コイルとを備え、１次側コイルに対する２次側コイルの位置の基準となる基準パターンと、１次側コイルに対する２次側コイルの位置が基準パターンと異なる１乃至複数のずれパターンとを有し、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように１次側コイル及び２次側コイルの内径又は外径、各コイルの対向する面と平行な平面上における各コイルの相対的な位置、１次側コイルの２次側コイルに対する傾きのうち少なくとも何れか１つを設定したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、１次側コイル及び２次側コイルの内径及び外径が一定で、且つ１次側コイルの２次側コイルに対する傾きが一定であって、各ずれパターンの各コイルの対向する面と平行な平面上における各コイルの相対的な位置が基準パターンと異なる場合において、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように同一平面上に複数の１次側コイル又は２次側コイルを近接配置したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、１次側コイル及び２次側コイルの内径及び外径が一定であって、各ずれパターンの１次側コイルに対する２次側コイルの傾きが基準パターンと異なる場合において、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように各コイルの対向する面と平行な平面上において各コイルを所定の位置で位置決めする位置決め手段を設けたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、ずれパターンには、１次側コイル又は２次側コイルのうち少なくとも一方の内径又は外径が基準パターンと異なる場合が含まれ、各コイルの対向する面と平行な平面上における各コイルの相対的な位置が一定であって、各ずれパターンの１次側コイル又は２次側コイルのうち少なくとも一方の内径又は外径が基準パターンと異なる場合において、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように何れか一方のコイルを他方のコイルに対して所定の傾きで固定する傾き固定手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、１次側コイルと２次側コイルとの間に位置ずれが生じた場合においても、位置ずれが生じていない通常使用時と同一のコイル間の結合係数にすることができるので、何れの場合においても同一の電力又は信号強度で送受することができ、したがって電力の送受電及び信号の送受信の信頼性が低下するのを防ぐことができる。

本発明に係る非接触伝送装置の実施形態１を示す図で、（ａ）は基準パターンにおける各コイルの位置関係を示す図で、（ｂ）はずれパターンにおける各コイルの位置関係を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、同上の２次側コイルの内径を種々変化させた場合における１次側コイルの内径と結合係数との相関図である。本発明に係る非接触伝送装置の実施形態２を示す図で、（ａ）は１次側コイルの平面図で、（ｂ），（ｃ）は１次側コイル及び２次側コイルの側断面図である。本発明に係る非接触伝送装置の実施形態３を示す図で、（ａ）は第１の機器本体の側面図で、（ｂ），（ｃ）は第１の機器本体に第２の機器本体を固定した場合の側面図である。本発明に係る非接触伝送装置の実施形態４を示す図で、（ａ）は２次側コイルの内径が大きい場合の各コイルの位置関係を示す側面図で、（ｂ）は２次側コイルの内径が小さい場合の各コイルの位置関係を示す側面図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係る非接触伝送装置の実施形態１について図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、図１（ａ）の側断面図における上下を上下方向と定めるものとする。本実施形態は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、磁気結合により電力又は電気信号を送る１次側コイル１と、１次側コイル１と対向配置されるとともに磁気結合により１次側コイル１からの電力又は電気信号を受ける２次側コイル２とを備える。そして、本実施形態は、１次側コイル１に対する２次側コイル２の位置の基準となる基準パターン（図１（ａ）参照）におけるコイル間の結合係数ｋと、１次側コイル１に対する２次側コイル２の位置が基準パターンと異なるずれパターン（図１（ｂ）参照）におけるコイル間の結合係数ｋとが同一となるように、１次側コイル１の内径ｒ１及び２次側コイル２の内径ｒ２を設定したことに特徴がある。

１次側コイル１は、内径ｒ１、外径Ｒ１の略円環状の空芯型コイルであって、その上面が電力又は電気信号を送る送電面となっている。また、送電面と反対側の下面には、１次側コイル１の外径寸法と略同一の外径寸法を有する略円盤状の磁性シート１０が設けられており、１次側コイル１のインダクタンスを大きくしている。２次側コイル２は、内径ｒ２、外径Ｒ２の略円環状の空芯型コイルであって、その下面が１次側コイル１から送られる電力又は電気信号を受ける受電面となっている。また、受電面と反対側の上面には、２次側コイル２の外径寸法と略同一の外径寸法を有する略円盤状の磁性シート２０が設けられており、２次側コイルのインダクタンスを大きくしている。

以下、本実施形態における基準パターンとずれパターンについて説明する。基準パターンでは、１次側コイル１の中心軸と２次側コイル２の中心軸とが同一直線上に位置し、且つ１次側コイル１と２次側コイル２との間の距離ｄが５．３ｍｍとする。ずれパターンでは、１次側コイル１の中心軸に対して２次側コイル２の中心軸が６ｍｍずれ、且つ１次側コイル１と２次側コイル２との間の距離ｄが３．３ｍｍとする。尚、その他のパラメータについては基準パターンとずれパターンとで同一であり、１次側コイル１の外径Ｒ１は３０ｍｍ、１次側コイル１の厚み寸法ｔ１は０．１７ｍｍ、２次側コイル２の外径Ｒ２は１５ｍｍ、２次側コイル２の厚み寸法ｔ２は０．３ｍｍ、磁性シート１０の厚み寸法ｔ１０は１ｍｍ、磁性シート２０の厚み寸法ｔ２０は０．０２ｍｍに設定されている。また、１次側コイル１の送電面と２次側コイル２の受電面とは平行であり、１次側コイル１に対して２次側コイル２は傾いていないものとする。

ここで、２次側コイル２の内径ｒ２が３ｍｍの場合、６ｍｍの場合、９ｍｍの場合の各々における１次側コイル１の内径ｒ１とコイル間の結合係数ｋとの相関図を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。同図に示すように、何れの場合においても、基準パターンとずれパターンとで結合係数ｋが同一となる１次側コイル１の内径ｒ１が存在する。

而して、１次側コイル１の内径ｒ１と２次側コイル２の内径ｒ２とを適宜設定することで、１次側コイル１と２次側コイル２との間に位置ずれが生じた場合においても、位置ずれが生じていない通常使用時と同一のコイル間の結合係数ｋにすることができるので、何れの場合においても同一の電力又は信号強度で送受することができ、したがって電力の送受電及び信号の送受信の信頼性が低下するのを防ぐことができる。

尚、本実施形態における基準パターンとずれパターンとは、１次側コイル１及び２次側コイルの相対的な位置関係の１例であって、当該パターンに限定されるものではなく、基準パターンとずれパターンとで結合係数が同一となるような構成であればどのようなパターンであっても構わない。

（実施形態２）
以下、本発明に係る非接触伝送装置の実施形態２について図面を用いて説明する。本実施形態は、図３（ａ）に示すように、複数（図示では４つ）の１次側コイル１を同一平面上に近接配置したことに特徴がある。尚、本実施形態では、１次側コイル１の内径及び外径、並びに２次側コイル２の内径及び外径、並びに１次側コイル１と２次側コイル２との間の距離を一定とする。また、１次側コイル１の送電面と２次側コイル２の受電面とは平行であり、１次側コイル１に対して２次側コイル２は傾いていないものとする。

ここで、複数の１次側コイル１のうち任意の１つの１次側コイル１の中心軸と２次側コイル２の中心軸とが同一直線上に位置する場合を基準パターン（図３（ｂ）参照）とし、互いに隣接する任意の２つの１次側コイル１に跨って２次側コイル２が位置する場合をずれパターン（図３（ｃ）参照）とする。図３（ｂ），（ｃ）に示すように、基準パターンにおいて１次側コイル１で生じた磁力線が２次側コイル２に鎖交する割合と、ずれパターンにおいて１次側コイル１で生じた磁力線が２次側コイル２に鎖交する割合とが同一となる。即ち、基準パターンとずれパターンとでコイル間の結合係数が同一となるので、実施形態１と同様の効果を奏することができる。

加えて、本実施形態では、１次側コイル１の配置された領域内であれば２次側コイル２をどの位置に配置しても基準パターンと同一の結合係数とすることができるので、基準パターンに対する２次側コイル２の位置ずれの許容範囲を広げることができる。

尚、本実施形態では複数の１次側コイル１を近接配置しているが、１次側コイル１の代わりに複数の２次側コイル２を近接配置するように構成しても構わない。この場合でも、実施形態１と同様の効果を奏することができ、また、２次側コイル２の配置された領域内であれば１次側コイル１をどの位置に配置しても基準パターンと同一の結合係数とすることができるので、基準パターンに対する１次側コイル１の位置ずれの許容範囲を広げることができる。

（実施形態３）
以下、本発明に係る非接触伝送装置の実施形態３について図面を用いて説明する。本実施形態は、図４（ａ）に示すように、１次側コイル１を内蔵する第１の機器本体３の形状に特徴があり、２次側コイル２を内蔵する第２の機器本体４を所定の位置で固定する位置決め手段を設けている。尚、本実施形態では、１次側コイル１の内径及び外径、並びに２次側コイル２の内径及び外径、並びに１次側コイル１と２次側コイル２との間の距離を一定とする。また、第１の機器本体３及び第２の機器本体４の組合せとしては携帯端末及びその充電器の組合せが考えられるが、当該組合せに限定されるものではなく、１次側コイル１及び２次側コイル２を有するものであれば他の機器の組合せであっても構わない。

位置決め手段としては、第１の機器本体１が載置される面に対して所定の傾きを有する平坦面３０、及び平坦面３０と同一平面上に第２の機器本体４が載置されるように窪んだ断面略直角三角形状の凹部３１から成る第１の位置決め手段と、第１の機器本体１が載置される面と平行な平坦面３２、及び平坦面３２と同一平面上に第２の機器本体４が載置されるように窪んだ断面略直角三角形状の凹部３３から成る第２の位置決め手段とがある。

第１の位置決め手段によって第２の機器本体４を第１の機器本体３に固定する場合には、図４（ｂ）に示すように、第２の機器本体４の長手方向における一端側の角部を凹部３１の角部に嵌め込むとともに、他端側の角部を平坦面３０に載置する。第２の位置決め手段で第２の機器本体４を第１の機器本体３に固定する場合には、図４（ｃ）に示すように、第２の機器本体４の長手方向における一端側の角部を凹部３３の角部に嵌め込むとともに、他端側の角部を平坦面３２に載置する。第１の位置決め手段で第２の機器本体４を第１の機器本体３に固定した場合には、２次側コイル２は、その中心が１次側コイル１の中心からずれるように位置する。一方、第２の位置決め手段で第２の機器本体４を第１の機器本体３に固定した場合には、１次側コイル１の中心と２次側コイル２の中心とが同一直線上に位置する。

ここで、１次側コイル１の送電面と２次側コイル２の受電面とが平行な場合を基準パターン（図４（ｂ）参照）とし、１次側コイル１の送電面に対して２次側コイル２の受電面が所定角度で傾いている場合をずれパターン（図４（ｃ）参照）とする。図４（ｂ），（ｃ）に示すように、基準パターンにおいては第１の位置決め手段によって第２の機器本体４を第１の機器本体３に固定し、ずれパターンにおいては第２の位置決め手段によって第２の機器本体４を第１の機器本体３に固定することで、基準パターンとずれパターンとでコイル間の結合係数が同一となるので、実施形態１と同様の効果を奏することができる。

尚、本実施形態における基準パターンとずれパターンとは、１次側コイル１及び２次側コイルの相対的な位置関係の１例であって、当該パターンに限定されるものではない。また、位置決め手段の構成についても本実施形態の構成に限定される必要はなく、基準パターンとずれパターンとで結合係数が同一となるような構成であればどのような構成であっても構わない。

（実施形態４）
以下、本発明に係る非接触伝送装置の実施形態４について図面を用いて説明する。本実施形態は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、第３の機器本体５に２次側コイル２を１次側コイル１に対して所定の傾きで固定する傾き固定手段を設けたことに特徴がある。尚、本実施形態では、１次側コイル１の内径および外径、並びに１次側コイル１と２次側コイル２との間の距離を一定とし、１次側コイル１の中心と２次側コイル２の中心とが同一直線上に位置するものとする。また、第１の機器本体３及び第２の機器本体４の組合せについては実施形態３と同様である。

ここで、１次側コイル１の外径寸法よりも小さい外径寸法の２次側コイル２を内蔵した第２の機器本体４と、１次側コイル１の外径寸法と略同一の外形寸法の２次側コイル２を内蔵した第３の機器本体５とを第１の機器本体１に載置する場合を考える。以下では、第２の機器本体４を第１の機器本体１に載置する場合を基準パターン（図５（ａ）参照）とし、第３の機器本体５を第１の機器本体１に載置する場合をずれパターン（図５（ｂ）参照）とする。仮に、何れのパターンにおいても１次側コイル１の送電面と２次側コイル２の受電面とが平行になる場合では、基準パターンとずれパターンとでコイル間の結合係数が異なってしまう。そこで、図５（ｂ）に示すように、傾き固定手段を用いて第３の機器本体５において２次側コイル２を１次側コイル１に対して所定の傾きで固定することで、基準パターンとずれパターンとでコイル間の結合係数を同一とすることができる。而して、互いに径寸法の異なる２次側コイル２を有する複数の機器本体（本実施形態では第２の機器本体４と第３の機器本体５）を同一の機器本体（本実施形態では第１の機器本体３）に対して使用する場合においても、同一の電力又は信号強度で送受することができ、したがって電力の送受電及び信号の送受信の信頼性が低下するのを防ぐことができる。

尚、本実施形態では、第２の機器本体４に傾き固定手段を設けているが、第１の機器本体３に１次側コイル１を２次側コイル２に対して所定の傾きで固定する傾き固定手段を設けても構わない。この場合でも、上記と同様の効果を奏することができる。

１１次側コイル
２２次側コイル

Claims

磁気結合により電力又は電気信号を送る１次側コイルと、１次側コイルと対向配置されるとともに磁気結合により１次側コイルからの電力又は電気信号を受ける２次側コイルとを備え、１次側コイルに対する２次側コイルの位置の基準となる基準パターンと、１次側コイルに対する２次側コイルの位置が基準パターンと異なる１乃至複数のずれパターンとを有し、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように１次側コイル及び２次側コイルの内径又は外径、各コイルの対向する面と平行な平面上における各コイルの相対的な位置、１次側コイルの２次側コイルに対する傾きのうち少なくとも何れか１つを設定したことを特徴とする非接触伝送装置。
前記１次側コイル及び２次側コイルの内径及び外径が一定で、且つ１次側コイルの２次側コイルに対する傾きが一定であって、各ずれパターンの各コイルの対向する面と平行な平面上における各コイルの相対的な位置が基準パターンと異なる場合において、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように同一平面上に複数の１次側コイル又は２次側コイルを近接配置したことを特徴とする請求項１記載の非接触伝送装置。
前記１次側コイル及び２次側コイルの内径及び外径が一定であって、各ずれパターンの１次側コイルに対する２次側コイルの傾きが基準パターンと異なる場合において、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように各コイルの対向する面と平行な平面上において各コイルを所定の位置で位置決めする位置決め手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の非接触伝送装置。
前記ずれパターンには、１次側コイル又は２次側コイルのうち少なくとも一方の内径又は外径が基準パターンと異なる場合が含まれ、各コイルの対向する面と平行な平面上における各コイルの相対的な位置が一定であって、各ずれパターンの１次側コイル又は２次側コイルのうち少なくとも一方の内径又は外径が基準パターンと異なる場合において、基準パターンと各ずれパターンとの間で１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数が同一となるように何れか一方のコイルを他方のコイルに対して所定の傾きで固定する傾き固定手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の非接触伝送装置。