JP5481231B2 - 非接触電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に対して電磁誘導により非接触で電力を送受する機能を有する非接触電力伝送システムに関し、特に低ノイズ化、コンパクト化を必要とする非接触電力伝送システムに関するものである。

近年、電子部品の小型化に伴い、携帯電話や携帯型音楽プレーヤー等に代表される携帯電子機器は、小型化や軽量化が図られ、広く普及している。更に近年、携帯電子機器の多機能化及び高速処理化が図られ、それに伴い、電子機器が必要とする電力量が増加傾向にある。しかし、一般に、携帯電子機器は、専用のアダプターを内蔵せず、内蔵した二次電池に充電した電力により駆動されており、二次電池の電力が不足する度に二次電池を充電しなければならない。

一般に、携帯電子機器の二次電池への充電は、携帯電子機器の充電端子と充電台（クレードル）の充電端子を接触させて電気的に接続し、充電台から電力を供給して内蔵する二次電池に充電する。しかしながら、充電端子同士を接触させて接続する充電方式では、充電端子の汚れや、充電端子間への異物侵入により充電ができない場合が生ずる。このような接触による給電が難しい環境下で用いられる可能性がある電子機器に関しては、最近は、特許文献１に記載されているような電磁誘導の原理を利用した非接触の電力供給を行う電子機器、すなわち非接触電力伝送機器の需要が増加している。

従来の一般的な非接触電力伝送機器の中の非接触電力伝送システムを構成する部分の概略構成の斜視図を図５に示す。図５より、送電側は、送電回路１１１、送電コイル１１３、磁性体１１４からなり、受電側は、受電回路１１６、受電コイル１１７、磁性体１１８、二次電池またはキャパシタ１１９からなっている。ここで、送電側は充電器などの筐体中、受電側は携帯機器などの筐体中に配置されるがそれらの筐体は省略して示している。送電回路１１１に送電コイル１１３の端子が接続されており、送電回路１１１が動作すると送電コイル１１３に磁束が誘起される。その誘起された磁束の漏れる量を少なくするために、磁性体１１４が送電コイル１１３の背面に配置されている。送電コイル１１３の磁性体１１４の側とは反対方向から磁束が放射され、受電コイル１１７でその磁束を受けることで受電回路１１６に電力が伝送される。受電コイル１１７の背面にも送電コイル１１３からの磁束を効率的に受けるために磁性体１１８が配置されている。以上のように、送電側は、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換する手段を備え、受電側は、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する手段を備えている。また、受電回路１１６には二次電池またはキャパシタ１１９が接続されおり、充電が可能になる。

特開２００８−２９４３８５号公報

上記のように非接触電力伝送を行う際、送電回路１１１、送電コイル１１３、受電回路１１６、受電コイル１１７等の各構成部品より、ノイズが発生する。よって、各部品を近接して配置すると、ノイズによる障害が起きてしまい、動作に影響を与える場合がある。特に、電力を送電する側は、電力の伝送効率を考慮して設計され、ノイズ成分に対しても大きな電力を発生させてしまうため、各構成部品の近接配置がより難しい。このため、図５に示すように、送電回路１１１と送電コイル１１３とがある程度の距離をおいて接続配置されているのが一般的である。

このように、従来の非接触電力伝送機器の非接触電力伝送システムでは、ノイズの影響を考慮し、送電回路と送電コイルとが距離を置いて配置されるのが一般的であった。また、送電回路と送電コイルとが水平方向に離れて配置されているため、送電側のユニットの小型化が難しかった。また、このような非接触電力伝送を行う電子機器では、その非接触電力伝送を行う電磁結合部分を利用して、同時に情報の送受を行う通信機能を有する非接触電力伝送システムが考えられるが、この場合には通信の信頼性を確保するため、さらにノイズの影響を抑える必要がある。

本発明の課題は、上記のような従来の技術的問題を解決し、ノイズの発生が少なく、コンパクトな収納が可能な非接触電力伝送システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の非接触電力伝送システムは、送電コイルと、前記送電コイルに対応する受電コイルと、該送電コイルおよび受電コイルのそれぞれの背面に配置された磁性体と、前記送電コイルに高周波交流電圧を印加するための送電回路と、前記受電コイルに接続された受電回路と、該受電回路に接続された二次電池またはキャパシタとを有し、前記送電コイルに高周波交流電圧を印加することによる電磁誘導によって前記受電コイルと前記受電回路を介して前記二次電池またはキャパシタを充電する非接触電力伝送システムにおいて、前記送電コイルの背面に接して配置された第一の磁性体と、前記送電回路を覆った金属ケースとの間に、前記第一の磁性体及び前記金属ケースに接して、第二の磁性体が配置されていることを特徴とする。

ここで、前記第二の磁性体は比透磁率の実部が３０以上で、厚さが２ｍｍ以下の平板であることが望ましい。この場合、前記第二の磁性体は、その比透磁率の実部をＸ、厚さをＹ（ｍｍ）とするとき、ＸとＹの積が５０以上であることが望ましい。

また、前記第二の磁性体は、扁平状の軟磁性粉末とエラストマーからなる複合磁性体、または扁平状の軟磁性粉末とシリコン樹脂からなり、面内に磁化容易方向を有する磁性体であってもよい。

また、前記受電回路は金属ケースで覆われ、前記受電コイルの背面に配置された磁性体の背面に配置されていてもよい。

また、前記送電コイルと前記受電コイル間を介してデータ通信を行う機能を有していてもよい。

以上のように、本発明では、送電回路または送電回路と受電回路を金属ケースでシールドし、送電コイルの背面に配置された磁性体と送電回路との間に、第二の磁性体を配置することで、送電回路または送電回路と受電回路、および送電コイルから放出されるノイズを低減することができる。また、送電回路または送電回路と受電回路に流入するノイズを低減できる。このように、ノイズを低減できることで誤動作が起こりにくくなり、送電回路と送電コイルを近接させることができる。よって、本発明により、ノイズの発生が少なく、コンパクトな収納が可能な非接触電力伝送システムが得られる。さらに、本発明により、非接触電力伝送を行う電磁結合部分を利用して同時に情報の送受を行う通信機能を有する非接触電力伝送システムの場合にも、ノイズの影響を抑えることができ、通信の信頼性を確保することができる。

本発明の第一の実施の形態の非接触電力伝送システムを説明する図であり、図１（ａ）は概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は側面図である。 実施例１の非接触電力伝送システムの妨害波電界強度を測定した結果を示す図であり、図２（ａ）は第二の磁性体として比透磁率実数部が３０の扁平状の軟磁性粉末とエラストマーからなる複合磁性体シートを使用した場合、図２（ｂ）は比透磁率実数部が５０の扁平状の軟磁性粉末とシリコン樹脂を混合して作製した、面内に磁化容易方向を有する磁性体シートを使用した場合を示す図である。 本発明の第二の実施の形態の非接触電力伝送システムを説明する図であり、図３（ａ）は概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）は側面図である。 実施例２の非接触電力伝送システムの妨害波電界強度を測定した結果を示す図である。 従来の一般的な非接触電力伝送機器の中の非接触電力伝送システムの概略構成を示す斜視図である。 従来の非接触電力伝送システムの構成配置の状態での妨害波電界強度の測定結果を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第一の実施の形態の非接触電力伝送システムを説明する図であり、図１（ａ）は概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は側面図である。ここで、通常、本システムの送電側は充電器などの筐体中、受電側は携帯機器などの筐体中に配置されるが、それらの筐体は省略して示している。

図１に示すように、本実施の形態の非接触電力伝送システムは、送電コイル１３と、受電コイル１７と、送電コイル１３および受電コイル１７のそれぞれの背面に配置された磁性体と、送電コイル１３に高周波交流電圧を印加するための送電回路１１と、受電コイル１７に接続された受電回路１６と、受電回路１６に接続された二次電池またはキャパシタ１９とを有し、送電コイル１３に高周波交流電圧を印加することによる電磁誘導によって受電コイル１７と受電回路１６を介して二次電池またはキャパシタ１９を充電するとともに、送電コイル１３と受電コイル１７間を介してデータ通信を行う非接触電力伝送システムであり、送電コイル１３の背面に配置された第一の磁性体１４と、第一の磁性体１４の背面に配置された第二の磁性体１５とを有し、送電回路１１は金属ケース１２で覆われ、第二の磁性体１５の背面に配置されている。

ここで、送電回路１１と送電コイル１３はリード線２１により接続されているが、リード線２１は金属ケース１２の一部を貫通して取り出されている。第一の磁性体１４は、送電コイル１３の背面、すなわち受電側と反対側の面に接着されており、漏れ磁束を減少させる働きがある。本実施の形態では、第一の磁性体１４が接着された送電コイル１３と、金属ケース１２に覆われた送電回路１１を積重ねて配置しており、コンパクトな構成となっている。その際、金属ケース１２に覆われた送電回路１１と、第一の磁性体１４が接着された送電コイル１３の間に第二の磁性体１５を配置することにより、送電側のノイズが抑制されたことにより、コンパクトに収納された送電側が実現されている。

受電側では、磁性体１８が受電コイル１７の背面に接着され、受電コイル１７と受電回路１６間はリード線２２で接続されている。磁性体１８は第一の磁性体１４と同様の働きをする。送電コイル１３と受電コイル１７が相対することにより、電力伝送が可能になる。すなわち、非接触電力伝送および通信システムの送電側は、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換する手段を備え、受電側は、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する手段を備えている。

また、本実施の形態の非接触電力伝送システムでは、電力伝送と切り分けられた別の回路を使用して、送電コイル１３と受電コイル１７間を介してＲＦＩＤ等の信号の送受信、すなわちデータ通信も行う。同じ搬送周波数で、電力の送受信と、ＲＦＩＤ等の信号の送受信の両方を可能としている。

図３は、本発明の第二の実施の形態の非接触電力伝送システムを説明する図であり、図３（ａ）は概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）は側面図である。本実施の形態の非接触電力伝送システムは、送電側については図１に示した第一の実施の形態と同様であり、受電側のみ異なる。

第一の実施の形態と同様に、送電コイル１３と、受電コイル１７ａと、送電コイル１３および受電コイル１７ａのそれぞれの背面に配置された磁性体と、送電コイル１３に高周波交流電圧を印加するための送電回路１１と、受電コイル１７ａに接続された受電回路１６ａと、受電回路１６ａに接続された二次電池またはキャパシタ１９ａとを有し、送電コイル１３に高周波交流電圧を印加することによる電磁誘導によって受電コイル１７ａと受電回路１６ａを介して二次電池またはキャパシタ１９ａを充電するとともに、送電コイル１３と受電コイル１７ａ間を介してデータ通信を行う非接触電力伝送システムであり、送電コイル１３の背面に配置された第一の磁性体１４と、第一の磁性体１４の背面に配置された第二の磁性体１５とを有し、送電回路１１は金属ケース１２で覆われ、第二の磁性体１５の背面に配置されている。

但し、本実施の形態においては、受電回路１６ａは金属ケース２０で覆われ、受電コイル１７ａの背面に接着された磁性体１８ａの背面に配置されている。受電回路１６ａと受電コイル１７ａはリード線２２により接続されており、リード線２２は金属ケース２０の一部を貫通して取り出されている。ここで、磁性体１８ａが接着された受電コイル１７ａと、金属ケース２０に覆われた受電回路１６ａとを積重ねて配置しており、受電側もコンパクトな構成となっている。

なお、第一及び第二の磁性体としては、ニッケル系フェライト、マンガン系フェライト、アモルファス磁性合金、パーマロイ、ナノ結晶磁性材料等を用いることができ、単体あるいは、樹脂と混合、担体に塗布する等して、シート状、板状で用いることができる。

以下に、本発明の効果について確認するため、上記の各実施の形態の非接触電力伝送システムについて、具体的な実施例の試作評価を行った結果について説明する。

（実施例１）
第一の実施の形態の実施例である実施例１の送電回路１１の大きさは、縦４５ｍｍ×横６０ｍｍ×厚さ１．６ｍｍである。金属ケース１２の大きさは、縦６５ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ２８ｍｍであり、送電回路１１が余裕を持って収まる大きさであり、その材質はアルミニウムである。送電コイル１３はフレキシブル基板に形成された平面コイルを使用し、その大きさは縦２８ｍｍ×横３８ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ、巻線部分の幅は６ｍｍ、巻線の形状は長方形を変形したドーナツ形状であり、巻数は４ターンである。第一の磁性体１４は、送電コイル１３の巻線部の片面を覆うように接着されている。厚さは０．４ｍｍである。送電回路１１と送電コイル１３は長さ１００ｍｍのリード線で接続されているが、前記リード線は金属ケース１２の一部を貫通して取り出されている。

送電回路１１を金属ケース１２内に封入し、その上に第一の磁性体１４が接着された送電コイル１３を第一の磁性体１４が金属ケース１２側に来るように配置する。その際、金属ケース１２と第一の磁性体１４の間に第二の磁性体１５を挿入する。第二の磁性体１５の大きさは、縦３０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ２ｍｍである。比透磁率実数部は３０で、扁平状の軟磁性粉末とエラストマーからなる複合磁性体シートを使用した。この場合、比透磁率の実数部をＸ、厚さをＹ（ｍｍ）としたとき、ＸとＹの積が５０より小さくなると回路動作が不安定になった。

受電回路１６の大きさは縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ１．６ｍｍである。受電コイル１７と磁性体１８は、それぞれ、送電コイル１３、第一の磁性体１４と同形状である。受電回路１６と受電コイル１７は長さ１００ｍｍのリード線で接続されている。受電回路１６の出力は本来二次電池またはキャパシタ１９に接続されるが、ここでは二次電池またはキャパシタ１９の代わりに消費電力が二次電池またはキャパシタ１９と同等の負荷に接続している。以上により、実施例１の非接触電力伝送システムを得た。

図２（ａ）に、作製した実施例１の非接触電力伝送システムの妨害波電界強度を測定した結果を示す。比較のため、図６には、図５のような従来の構成配置の状態での妨害波電界強度の測定結果を示す。この従来の構成配置で使用した送電コイル、受電コイル、それらの背面の磁性体、送電回路、受電回路などは実施例１と同じである。被測定物と妨害波を検波するアンテナとの距離は３ｍで行った。図２（ａ）と図６を比較すると、実施例１の方が１０ｄＢから５０ｄＢ程度、妨害波が小さいことがわかる。

図２（ｂ）に、実施例１の第二の磁性体１５を置き換えた場合の結果を示す。第二の磁性体１５として、比透磁率実数部は５０で、扁平状の軟磁性粉末とシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）を有するシリコーン（シリコン樹脂）を混合して作製した、面内に磁化容易方向を有する磁性体シートを使用した場合である。その厚さは２ｍｍである。図２（ｂ）においても図２（ａ）とほぼ同等の良好な特性を得ていることが分かる。

（実施例２）
実施例２として、上記の第二の実施の形態の実施例を作製した。送電側は実施例１と同じものを使用した。受電側の受電回路１６ａを覆う金属ケース２０の大きさは、縦５０ｍｍ×横７５ｍｍ×高さ２０ｍｍであり、その材質はアルミニウムである。受電回路１６ａと受電コイル１７ａは長さ１００ｍｍのリード線で接続されているが、そのリード線は金属ケース２０の一部を貫通して取り出されている。受電回路１６ａを金属ケース２０内に封入し、その上に磁性体１８ａが接着された受電コイル１７ａを、磁性体１８ａが金属ケース２０側に来るように配置する。以上により、実施例２の非接触電力伝送システムを得た。

図４に作製した実施例２の非接触電力伝送システムの妨害波電界強度を測定した結果を示す。被測定物と妨害波を検波するアンテナとの距離は３ｍで行った。図６の従来の構成の場合と比較すると、本実施例の方が１０ｄＢ〜５０ｄＢ程度、妨害波が減少していることが分かる。よって、従来よりも低ノイズでコンパクトな非接触電力伝送システムが得られている。

なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、送電、受電コイル、送電、受電回路、磁性体などの形状、構成、材料、それらの相互の配置など、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、金属ケースはアルミニウム以外の銅やその他の金属でも問題はない。また、使用するコイルや回路基板の大きさにより、送電、受電コイルと送電、受電回路のそれぞれの積重ね方や積重なる部分なども異なる。その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、当業者であれば、当然なしうるであろう各種変更、修正もまた本発明に含まれる。

１１、１１１ 送電回路
１２、２０ 金属ケース
１３、１１３ 送電コイル
１４ 第一の磁性体
１５ 第二の磁性体
１６，１６ａ、１１６ 受電回路
１７、１７ａ、１１７ 受電コイル
１８、１８ａ、１１４、１１８ 磁性体
１９、１９ａ、１１９ 二次電池またはキャパシタ
２１、２２ リード線

Claims (6)

1. 送電コイルと、前記送電コイルに対応する受電コイルと、該送電コイルおよび受電コイルのそれぞれの背面に配置された磁性体と、前記送電コイルに高周波交流電圧を印加するための送電回路と、前記受電コイルに接続された受電回路と、該受電回路に接続された二次電池またはキャパシタとを有し、前記送電コイルに高周波交流電圧を印加することによる電磁誘導によって前記受電コイルと前記受電回路を介して前記二次電池またはキャパシタを充電する非接触電力伝送システムにおいて、前記送電コイルの背面に接して配置された第一の磁性体と、前記送電回路を覆った金属ケースとの間に、前記第一の磁性体及び前記金属ケースに接して、第二の磁性体が配置されていることを特徴とする非接触電力伝送システム。
2. 前記第二の磁性体は比透磁率の実部が３０以上で、厚さが２ｍｍ以下の平板であることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
3. 前記第二の磁性体は、その比透磁率の実部をＸ、厚さをＹとするとき、ＸとＹの積が５０以上であることを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送システム。
4. 前記第二の磁性体は、扁平状の軟磁性粉末とエラストマーからなる複合磁性体、または扁平状の軟磁性粉末とシリコン樹脂からなり、面内に磁化容易方向を有する磁性体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
5. 前記受電回路は金属ケースで覆われ、前記受電コイルの背面に配置された磁性体の背面に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
6. 前記送電コイルと前記受電コイル間を介してデータ通信を行う機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。

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