JP6083652B2 - 無接点コネクタシステム - Google Patents
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Description
第2のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第1のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第1のコイルは、上記第1のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第1のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい。
図1は、第1の実施形態に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。図2は、図1の送信コイル1a,1bの概略構成を示す上面図である。図3は、図1のA1−A1’線における断面図である。本実施形態の無接点コネクタシステムは、送信コイル1a,1bを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、受信コイル2を備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含み、送信コイル1a,1b及び受信コイル2の間の電磁結合を用いて信号又は電力などを伝送する。
図14は、第2の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図15は、図14の磁性体基板13を示す上面図である。図16は、図14のA2−A2’線における断面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子P1,P4にそれぞれ接続された導線5,6と、送信コイル1a,1bに対して、受信コイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板13とを備える。導線5,6は送信回路(図示せず)に接続される。磁性体基板13は、例えばフェライトであり、送信回路のためのシールドとして機能する。図15に示すように、磁性体基板13は、送信コイル1a,1b及び導線5,6の少なくとも一部を収容する溝部G1,G2をさらに有してもよい。図14〜図16に示す場合、導線6が送信コイル1a,1bの下を通るように設けられるので、導線6を溝部G1に収容する。通常、内側送信コイル1bから外側送信コイル1aの外部への導線6が存在することで、送信コイルの厚みが増加してしまうが、導線6を溝部G1に収容することにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去できるという効果がある。また、図31に示すように単一の導線を折り返すことで外側送信コイル1a及び内側送信コイル1bを構成する場合には、導線の折り返し部分において送信コイルの厚みが増加してしまうが、この場合は、導線の折り返し部分を溝部G2に収容することにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去できるという効果がある。導線の折り返し部分のための溝部G2は、必要に応じて設ければよい。
図17は、第3の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子P1,P4にそれぞれ接続された導線5,6Aを備える。端子P4は中心O1を通る軸に近接し、端子P1は軸から遠隔している。内側送信コイル1bの端子P4に接続された導線6Aは、軸から次第に遠隔するように軸の周囲において時計回りに巻回されている。図14の磁性体基板13が非常に薄く、導線6を完全に収容する溝部G1を設けることができない場合、図17に示すように巻回された導線6Aを使用してもよく、これにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去することができる。また、巻回された導線6Aと受信コイルとの相互インダクタンスによって、位置ずれに対する耐性をさらに強化できるという効果がある。導線6Aが絶縁被覆を有する場合は、導線6Aと内側送信コイル1b及び外側送信コイル1aとが接触していてもよい。
図19は、第4の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図20は、図19のA3−A3’線における断面図である。図19の送信コイル1a,1bは、図1の送信コイル1a,1bと同様である。外側送信コイル1a及び内側送信コイル1bのそれぞれは、プリント配線基板の誘電体基板14の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成(パターン形成)されてもよい。図19では、外側送信コイル1a、内側送信コイル1b、及び接続素子3は、誘電体基板14の上面にパターン形成される。無接点コネクタ装置は、端子P1,P4にそれぞれ接続された導線5,6を備える。導線5は、誘電体基板14の上面にパターン形成される。導線6は、誘電体基板14の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板14を貫通するビア導体15とを含む。
図31は、第5の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。図1の外側送信コイル1a、内側送信コイル1b、及び接続素子3は、別個の導線であることに限定されず、単一の導線を折り返すことで外側送信コイル1a、内側送信コイル1b、及び接続素子3を構成してもよい。これにより、送信コイルの構成を簡単化することができる。
図32は、第6の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。外側送信コイル1aの端子P2及び内側送信コイル1bの端子P3は、所定のインピーダンスを有する受動素子であるインピーダンス素子21を介して互いに接続されてもよい。インピーダンス素子21は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである。
図33は、第7の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、送信コイルに電流を流すとき、内側送信コイル1bを流れる電流により中心O1を通る軸の周囲に生じるループ電流とは逆に流れるループ電流が軸の周囲に生じるように、軸の周囲において内側送信コイル1bのさらに内側に追加の送信コイル1dを備えてもよい。追加の送信コイル1dは、例えば時計回りに巻回される。追加の送信コイル1dはその両端に端子P13,P14を有する。送信コイルに電流を流すとき、追加の送信コイル1dを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが内側送信コイル1bを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子P4,P13は接続素子7により互いに接続される。この構成によれば、追加の送信コイル1dを備えたことにより、無接点コネクタ装置の特性を微調整することができる。
図34は、第8の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。図35は、第8の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。図34のアレーは、規則的に配置された複数の送信コイル31−1〜31−3を備える。送信コイル31−1〜31−3は、互いに等間隔D11を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回されている。送信コイル31−1〜31−3のそれぞれは、図1他の送信コイルと同様に構成される。また、図35のアレーは、図6と同様に(又は、図1の内側送信コイル1bを含まずに)構成された、複数の送信コイル32−1〜32−3を備える。図34及び図35の送信コイルの上方に示した太点線は、各送信コイルと受信コイル(図示せず)との相互インダクタンスを示し、太点線の上の実線は、各送信コイルに係る相互インダクタンスを合成したものを示す。図35のアレーでは、複数の送信コイルを配置しても、隣接する送信コイル間に受信コイルが位置するとき、相互インダクタンスが低下し、伝送効率が低下するという課題があった。一方、図34のアレーでは、各送信コイルが、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができるので、アレー全体でも、位置に依存しない安定した電力伝送を実現できるという効果がある。図34では、一直線上に配置された3つの送信コイル31−1〜31−3を示したが、4つ以上の送信コイルを配置してもよく、また、複数の送信コイルを2次元的に配置してもよい。
図36は、第9の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。以上説明した無接点コネクタシステムを備えた電力伝送システムを構成することができる。電力伝送システムは、送信側の無接点コネクタ装置を備えた送電側の電力伝送装置と、受信側の無接点コネクタ装置を備えた受電側の電力伝送装置からなるものとする。図36を参照すると、送電側の電力伝送装置において、送信コイル1a,1b(図1)は送電回路102に接続され、送電回路102は電源101に接続される。受電側の電力伝送装置において、受信コイル2(図1)は受電回路103に接続され、受電回路103は負荷104(例えば電池など)に接続される。送信コイル1a,1bに電力が供給されると送信コイル1に電流が流れ、その電流により形成される送信コイル1a,1bの周囲の電磁界により受信コイル2に誘導起電力が生じ、受信コイル2に誘導電流が流れる。この誘導電流を負荷104で取り出すことにより、送信コイル1a,1b及び受信コイル2の間で電力を伝送することができる。
外径:32mm
巻数:18回
C2:82nF
dz1:1.0mm
Z02:8.7Ω
外径:30mm
巻数:30回
C2:56nF
dz1:2.0mm
Z02:10.0Ω
本開示の態様に係る無接点コネクタ装置、無接点コネクタシステムと、電力伝送装置、及び電力伝送システムは以下の構成を備える。
第2のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第1のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第1のコイルは、上記第1のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第1のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい。
上記磁性体基板は、上記第1のコイル及び上記導線の少なくとも一部を収容する溝部を有する。
上記第1のコイルは、上記軸に近接した第1の端部と、上記軸から遠隔した第2の端部とを有し、
上記無接点コネクタ装置は、上記第1の端部に接続された導線をさらに備え、上記導線は、上記軸から次第に遠隔するように上記軸の周囲に巻回される。
送信側の無接点コネクタ装置としての第1〜第10のいずれか1つの態様に係る無接点コネクタ装置と、
上記第2のコイルを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む。
上記第2のコイルを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての第1〜第10のいずれか1つの態様に係る無接点コネクタ装置とを含む。
送信側の無接点コネクタ装置としての第1〜第10のいずれか1つの態様に係る無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての第1〜第10のいずれか1つの態様に係る無接点コネクタ装置とを含む。
2,2a,2b,42a,42b…受信コイル、
3,3A〜3D,4,7…接続素子、
5,6,6A〜6C…導線、
11,12…筐体、
13,16…磁性体基板、
14…誘電体基板、
15,15A,15B1〜15B3,15C,15D…ビア導体、
21…インピーダンス素子、
101…電源、
102…送電回路、
103…受電回路、
104…負荷、
C1,C2…容量、
G1,G2…溝部、
L1,L2…自己インダクタンス、
M…相互インダクタンス、
P1〜P14…端子、
R1,R2…抵抗成分、
Q…信号源、
Z01,Z02…負荷インピーダンス。
Claims (17)
- 第2のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第1のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第1のコイルは、上記第1のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第1のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記内側コイル及び上記外側コイルは、
上記外側コイルの自己インダクタンスが上記内側コイルの自己インダクタンスより大きく、
上記第1のコイルの中心及び上記第2のコイルの中心の間の距離を示す、上記第1のコイルに対する上記第2のコイルの変位が増大するにつれて、上記内側コイル及び上記第2のコイルの間の相互インダクタンスが増大し、
上記第2のコイルの変位が増大するにつれて、上記外側コイル及び上記第2のコイルの間の相互インダクタンスが減少し、
上記第1のコイルの中心及び上記第2のコイルの中心が互いに近接しているとき、上記内側コイル及び上記第2のコイルの間に負の相互インダクタンスが生じ、上記外側コイル及び上記第2のコイルの間に正の相互インダクタンスが生じ、上記外側コイル及び上記第2のコイルの間の相互インダクタンスの絶対値が上記内側コイル及び上記第2のコイルの間の相互インダクタンスの絶対値よりも大きく、
上記外側コイル及び上記第2のコイルの間の相互インダクタンスが0になるときの上記第2のコイルの変位は、上記内側コイル及び上記第2のコイルの間の相互インダクタンスが0になるときの上記第2のコイルの変位よりも大きくなるように構成される無接点コネクタ装置。 - 上記外側コイルの自己インダクタンスに対する上記内側コイルの自己インダクタンスの比は0より大きく0.45未満である請求項1記載の無接点コネクタ装置。
- 上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向とは逆である請求項1又は2記載の無接点コネクタ装置。
- 上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向と同じである請求項1又は2記載の無接点コネクタ装置。
- 上記無接点コネクタ装置は、上記第1のコイルに対して、上記第2のコイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板をさらに備えた請求項1〜4のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置。
- 上記無接点コネクタ装置は、上記第1のコイルに接続された導線をさらに備え、
上記磁性体基板は、上記第1のコイル及び上記導線の少なくとも一部を収容する溝部を有する請求項5記載の無接点コネクタ装置。 - 上記第1のコイルは、上記軸に近接した第1の端部と、上記軸から遠隔した第2の端部とを有し、
上記無接点コネクタ装置は、上記第1の端部に接続された導線をさらに備え、上記導線は、上記軸から次第に遠隔するように上記軸の周囲に巻回された請求項1〜6のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置。 - 上記外側コイル及び上記内側コイルのそれぞれは、プリント配線基板の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成された請求項1〜7のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置。
- 上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は、インピーダンス素子を介して互いに接続され、上記インピーダンス素子は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである請求項1〜8のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置。
- 互いに等間隔を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回された複数の上記第1のコイルを備えた請求項1〜9のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置。
- 上記第1のコイル及び上記第2のコイルは、上記軸の周囲において実質的に同じ範囲に巻回されている請求項1〜10のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置。
- 送信側の無接点コネクタ装置としての請求項1〜11のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置と、
上記第2のコイルを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。 - 上記第2のコイルを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての請求項1〜11のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。 - 送信側の無接点コネクタ装置としての請求項1〜11のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての請求項1〜11のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。 - 送電回路と、上記送電回路に接続された請求項1〜11のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置とを備えた電力伝送装置。
- 受電回路と、上記受電回路に接続された請求項1〜11のいずれか1つに記載の無接点コネクタ装置とを備えた電力伝送装置。
- 請求項12〜14のうちのいずれか1つに記載の無接点コネクタシステムと、上記送信側の無接点コネクタ装置に接続された送電回路と、上記受信側の無接点コネクタ装置に接続された受電回路とを備えた電力伝送システム。
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