JP2012119496A - 非接触充電モジュール及び非接触充電機器 - Google Patents

Abstract

【課題】渦巻状の電線部からなる平面コイル部と磁性シートとを有する非接触充電モジュールにおいて、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化する非接触充電モジュール及び非接触充電機器を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部２と、平面コイル部２のコイル２１の面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、平面コイル部２は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュールである。
【選択図】図２

Description

本発明は、渦巻状の導線からなる平面コイル部と磁性シートとを有する非接触充電モジュール、及びこれを用いた非接触充電機器に関する。

近年、本体機器を充電器で非接触充電することのできるものが多く利用されている。これは、充電器側に送電用コイル、本体機器側に受電用コイルを配し、両コイル間に電磁誘導を生じさせることにより充電器側から本体機器側に電力を伝送するものである。そして、上記本体機器として携帯端末機器等を適用することも提案されている。

この携帯端末機器等の本体機器や充電器は、薄型化や小型化が要望されるものである。この要望に応えるため、（特許文献１）のように、送電用コイルや受電用コイルとしての平面コイル部と、磁性シートとを備えることが考えられる。

特開２００６−４２５１９号公報

しかしながら、（特許文献１）のように単線の平面コイル部と全面が平面状の磁性シートとを備えた非接触充電モジュールでは、必要な平面コイル部の導線の断面積を確保するために導線の直径が大きくなり、その分だけ薄型化を妨げている。これは、コイルの断面積が小さくなるとコイルの交流抵抗ＡＣＲが大きくなってしまい、非接触充電モジュールの伝送効率が低下してしまうからである。従って、一般的にコイルは少なくとも約０．２５ｍｍ程度の直径が必要となり、磁性シートと合わせると厚みが非常に大きくなってしまう。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを薄型化することができる非接触充電モジュール及び非接触充電機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイルの面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、前記平面コイル部は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュールとした。

本発明によれば、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化することができる。

本発明の実施例における非接触充電モジュールの組立図 本発明の実施例における非接触充電モジュールの概念図 本発明の実施例における非接触充電モジュールのコイルの巻き方を示す概念図 本発明の実施例における非接触充電モジュールの磁性シートの概念図 本発明の実施例における非接触充電モジュールの磁性シートの上面図 本発明の実施例における非接触充電モジュールのフェライトシートの厚みとコイルのＬ値との関係を示す図 本発明の実施例における非接触充電モジュールのコイルの内径とＬ値との関係を示す図 本発明の実施例における非接触充電モジュールのコイルのターン数とＬ値との関係を示す図

請求項１に記載の発明は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイルの面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、前記平面コイル部は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュールであって、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化することができる。

請求項２に記載の発明は、前記平面コイル部は、その内側を複数段に重ねて巻回しており、残りの外側を一段で巻回したことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュールであって、コイルを複数段構造とするのを内側としてコイルのうちなるべく多くの部分を１段構造とすることで、Ｌ値が小さくなり交流抵抗を低く抑え、伝送効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記磁性シートの、前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回されている部分に対向する部分に、前記磁性シートを薄くするような環状の凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュールであって、磁性シートを薄くするような環状の凹部を設けたことによって、コイルの複数段に重ねられた部分と一段の部分との厚みの違いを相殺し、より薄型化させることができる。

請求項４に記載の発明は、前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回した部分は、一段で巻回した部分よりも面積が小さいことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュールであって、コイルのうちなるべく多くの部分を１段構造とすることで、交流抵抗を低く抑え、伝送効率を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイルの面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、前記平面コイル部は、内側部を複数段に重ねて巻回しており、外側部を前記内側部で巻回した段数よりも少ない段数で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュールであって、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の非接触充電モジュールに備えられた平面コイル部を、送電用コイルまたは受電用コイルの少なくともいずれかひとつに用いたことを特徴とする非接触充電機器であって、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電機器を小型化及び薄型化することができる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例における非接触充電モジュールの組立図、図２は、本発明の実施例における非接触充電モジュールの概念図であって（ａ）は上面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ方向から見た断面図、（ｃ）及び（ｄ）は図２（ａ）のＢ方向から見た断面図である。図３は、本発明の実施例における非接触充電モジュールのコイルの巻き方を示す概念図、図４は、本発明の実施例における非接触充電モジュールの磁性シートの概念図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は図４（ａ）のＡ方向から見た断面図、（ｃ）及び（ｄ）は図４（ａ）のＢ方向から見た断面図である。図５は、本発明の実施例における非接触充電モジュールの磁性シートの上面図である。

本願発明の非接触充電モジュール１は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部２と、平面コイル部２のコイル２１の面に対向するように設けられた磁性シート３とを備え、複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、平面コイル部２は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュールである。

図１、２に示すとおり、平面コイル部２は、面上で渦を描くように径方向に向けて導電体を巻いたコイル２１と、コイル２１の両端に設けられた端子２２、２３を備える。コイル２１は２本の導線を平面上で平行に巻きまわしたものであり、コイルによって形成された面をコイル面と呼ぶ。また、端子２２、２３部分において２本の導線が半田などによって電気的に接続されているので、２本の導線が１本の太い導線のようになる。すなわち、２本の導線は平面状で同一の中心を軸に巻きまわされており、半径方向において一方の導線が他方の導線に挟まれるようになる。このように２本の導線を端子２２、２３部分で電気的に接合して１本の導線のように機能させることによって、同じ断面積であっても厚みを抑えることができる。すなわち、例えば、直径が０．２５ｍｍの導線の断面積を、直径が０．１８ｍｍの導線を２本準備することによって得ることができる。従って、直径が０．２５ｍｍの導線１本であると、コイル２１の１ターンの厚みは０．２５ｍｍ、コイル２１の半径方向の幅は０．２５ｍｍであるが、直径が０．１８ｍｍの導線２本であると、コイル２１の１ターンの厚みは０．１８ｍｍ、半径方向の幅は０．３６ｍｍとなる。なお、厚み方向とは、平面コイル部２と磁性シート３との積層方向である。

また、コイル２１は中心側の一部分のみ、厚さ方向に２段に重なっており、残りの外側の部分は１段である。このとき、コイル２１の中心側の一部分は図３（ａ）または図３（ｂ）のように重なるように巻回される。図３（ａ）のように上段の導線と下段の導線どうしがお互いに空間を空けるように巻回されることによって、上段の導線と下段の導線との間の浮遊容量が小さくなり、コイル２１の交流抵抗を小さく抑えることができる。

また、図３（ｂ）のように上段の導線と下段の導線どうしがお互いに空間を詰めるように巻回されることによって、コイル２１の厚みを抑えることができる。

また、図３のように本実施例においては、断面積が円形状の導線としているが、方形形状などの導線でも良い。ただし、断面積が方形状の導線と比較して円形状の導線とでは、隣り合う導線どうしの間に隙間が生じるため、導線間の浮遊容量が小さくなり、コイル２１の交流抵抗を小さく抑えることができる。

また、コイル２１は厚さ方向に２段で巻回するよりも１段で巻回した方がコイル２１の交流抵抗が低くなり、伝送効率を高くすることができる。これは、２段で導線を巻回すると、上段の導線と下段の導線との間に浮遊容量が発生するためである。従って、コイル２１は全体を２段で巻回するよりも、なるべく多くの部分を１段によって巻回した方が良い。また、１段で巻回することによって、非接触充電モジュール１として薄型化することができる。なお、コイル２１の交流抵抗が低いことでコイル２１における損失を防ぎ、Ｌ値を向上させることによって、Ｌ値に依存する非接触充電モジュール１の電力伝送効率を向上させることができる。

また、本実施例においては、図１に示すコイル２１の内側の内径ｘは１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外径は約３０ｍｍである。内径ｘが小さいほど、同じ大きさの非接触充電モジュール１においてコイル２１のターン数を増やすことができ、Ｌ値を向上させることができる。

なお、端子２２、２３はお互いに近接してもよく、離れて配置されてもよいが、離れて配置された方が非接触充電モジュール１を実装しやすい。

磁性シート３は電磁誘導作用を利用した非接触充電の電力伝送効率を向上させるために設けたものであって、図４に示す通り、平坦部３１と、中心の凸部３２と、凹部３３とを備える。凹部３３はスリット３４であっても良い。また、本実施例においては、磁性シート３としてＮｉ−Ｚｎ系のフェライトシート、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトシート、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトシートなどを使うことができる。フェライトシートは、アモルファス金属の磁性シートに比較してコイル２１の交流抵抗を低下させることができる。なお、中心の凸部３２は必ずしも必要ではない。

本実施例において磁性シート３は約３３ｍｍ×３３ｍｍである。図４（ｂ）に示すｄ１は０．２ｍｍ、ｄ２は０．２ｍｍ、ｄ３は０．４ｍｍとなるように、平坦部３１、凸部３２、凹部３３それぞれの厚みを設定している。磁性シート３が厚いほど非接触充電モジュールとしては電力伝送効率が向上するので、凸部３２の高さｄ１は大きければ大きいほど非接触充電モジュール１の伝送効率を向上させる。しかしながら、凸部３２を導線の直径よりも大きくした分だけ非接触充電モジュール１としての厚みが増加してしまうため、コイル２１を構成する導線の直径とほぼ同一にしている。また、凸部３２の径は、コイル２１の内径とほぼ同一である。すなわち、コイル２１の軸の中心と凸部３２の中心はほぼ一致し、コイル２１が凸部３２を中心に巻回されているようになる。また、ｄ２もコイル２１を構成する導線の直径とほぼ同一とし、最低限の深さでしか凹部３３を形成しない。これは、凹部３３が深くなるほど磁性シート３が薄くなるため、非接触充電モジュール１の伝送効率を下げてしまうからである。

凹部３３は、凸部３２の周りを囲むように形成された円形部３３ａと、円形部３３ａから磁性シート３の端部までのびる直線部３３ｂとを備える。円形部３３ａの幅は約１ｍｍ〜２ｍｍであり、直線部３３ｂの幅は０．４ｍｍ〜１ｍｍ程度（導線の径＋約０．１ｍｍ）である。直線部３３ｂは磁性シート３の端部とほぼ垂直であり、円形部の外周の接線と重なるように形成される。このように直線部３３ｂを形成することによって、導線を折り曲げることなく端子２２、２３を形成することができる。なお、この場合、直線部３３ｂの長さは約１５ｍｍ〜２０ｍｍである。また、直線部３３ｂは、図５に示すように磁性シート３の端部と円形部３３ａの外周が最も近づく部分に形成しても良い。これによって、凹部３３の形成面積を最低限に抑えることができ、非接触充電モジュール１の伝送効率を向上させることができる。なお、この場合、直線部３３ｂの長さは約５ｍｍ〜１０ｍｍである。どちらの配置であっても、直線部３３ｂの内側端部は円形部３３ａに接続している。また、直線部３３ｂは、他の配置にしてもよい。すなわち、コイル２１はなるべく１段構造であることが望ましく、その場合、コイル２１の半径方向のすべてのターンを１段構造とするか、一部を１段構造として他の部分を２段構造とすることが考えられる。従って、端子２２、２３のうち一方はコイル２１外周から引き出すことができるが、他方は内側から引き出さなくてはならない。従って、コイル２１が巻回されている部分と、コイル２１の巻き終わりから端子２２または２３までの部分とが、必ず厚さ方向において重なってしまう。従って、その重なる部分に直線部３３ｂを設ければよい。

また、直線部３３ｂは図４（ｃ）に示すように凹部３３であっても良いし、図４（ｄ）に示すようにスリット３４であっても良い。すなわち、凹部３３であれば磁性シート３に貫通孔やスリットを設けないので磁束が漏れることを防ぎ、非接触充電モジュール１の電力伝送効率を向上させることができる。対して、スリット３４の場合は、磁性シート３の形成が容易となる。凹部３３である場合、図４（ｃ）に示すように断面形状が方形状となるような凹部３３に限定されず、円弧状であったり、丸みを帯びてもよい。

なお、前述したｄ１、ｄ２、円形部３３ａの幅などは、導線の直径に依存するため、上記の値に限定されるものではない。また、ｄ１とｄ２は必ずしも同一である必要もない。なぜならば、円形部３３ａの部分ではコイルが３段以上に巻かれることもあるからである。

図６は、本発明の実施例における非接触充電モジュールのフェライトシートの厚みとコイル２１のＬ値との関係を示す図である。ここで言うフェライトシートの厚みとは、図４（ｂ）におけるｄ２とｄ３を合わせたものを言い、凸部３２は関係ない。従って、本実施例においてはフェライトシートの厚みは０．６ｍｍである。また、このとき、コイル２１の巻き数は３０ターン、コイル２１の内径は１０ｍｍである。図６に示すとおり、約０．６ｍｍ程度においてコイル２１のＬ値が３４μＨを越える。これによって初めて、非接触充電モジュール１の規格であるＷＰＣ規格を満足させることができる。また、０．６ｍｍ以上厚くすると非接触充電モジュール１の全体の厚みが増してしまうため、本実施例では０．６ｍｍとしている。なお、厚みが０．６ｍｍで最適値であるのは上記のフェライトシートであるからであって、アモルファス金属の磁性シートを使用した場合は別の値となる。

次に、コイル２１の内径とＬ値との関係、及びコイル２１のターン数とＬ値との関係について説明する。図７は、本発明の実施例における非接触充電モジュールのコイル２１の内径とＬ値との関係を示す図、図８は、本発明の実施例における非接触充電モジュールのコイル２１のターン数とＬ値との関係を示す図である。なお、図７においてコイル２１の巻き数は３０ターンであり、図８においてコイル２１の内径は１０ｍｍである。

コイル２１のＬ値が高いほど非接触充電モジュール１の伝送効率は向上し、前述したＷＰＣ規格を満足させるためにも、Ｌ値は３０μＨ程度必要となる。従って、図７、図８から明らかなとおり、コイル２１の巻き数は少なくとも約３０ターン、コイル２１の内径は少なくとも約１０ｍｍが必要である。しかしながら、非接触充電モジュール１の厚み、大きさは非接触充電モジュール１を搭載する例えば携帯電話の電池パックの大きさなどに規制されるため、小型化、薄型化が必要となる。

従って、本願発明は、２本の導線を端子２２、２３部分において電気的に接続することで直径の大きな導線１本のようにし、同程度の導線の断面積を確保した上で薄型化を実現する。また、２本の導線とすることで、コイル２１の半径方向における幅が１本の導線分よりも大きくなってしまうため、最も内側の部分を一部だけ２段構造とする。これによって、限られた大きさの磁性シート３であっても、コイル２１の巻き数を十分に確保することができる。また、２段構造とするのを内側とすることによって、凹部３３の面積を最小限に抑えることができるので、非接触充電モジュール１の電力伝送効率を保つことができる。また、２段構造とするのを内側としてコイル２１のうちなるべく多くの部分を１段構造とすることで、交流抵抗を低く抑え、Ｌ値を高くすることができる。また、磁性シートの、平面コイル部２の複数段に重ねて巻回されている部分に対向する部分に、磁性シート３を薄くするような環状の凹部３３を設けたことによって、コイルの複数段に重ねられた部分と一段の部分との厚みの違いを相殺し、より薄型化させることができる。

また、図５に示すように磁性シート３の四隅であって、平坦部３１上のコイル２１が配置されていない領域に凸部３２ａを形成しても良い。すなわち、磁性シート３の四隅であって平坦部３１上のコイル２の外周よりも外側は、磁性シート３の上に何も載せられていない。従って、そこに凸部３２ａを形成することによって磁性シート３の厚みを増加させ、非接触充電モジュールの電力伝送効率を向上させることができる。凸部３２ａの厚みは厚ければ厚いほうが良いが、薄型化のため、中央の凸部３２と同様導線の厚みとほぼ同一とする。

また、コイル２１は環状に巻回されることに限定されず、方形状や多角形状に巻回される場合もある。更に、内側を３段構造とし、外側を２段構造とするように、内側を複数段に重ねて巻回し、外側を内側で巻回した段数よりも少ない段数で巻回することでも、本願の効果を得ることができる。

次に、本発明の非接触充電モジュール１を備えた非接触充電機器について説明する。非接触電力伝送機器は、送電用コイルおよび磁性シートを備える充電器と、受電用コイルおよび磁性シートを備える本体機器とから成るものであり、本体機器が携帯電話などの電子機器となっている。充電器側の回路は、整流平滑回路部と、電圧変換回路部と、発振回路部と、表示回路部と、制御回路部と、上記送電用コイルとで構成されている。また本体機器側の回路は、上記受電用コイルと、整流回路部と、制御回路部と、主として二次電池から成る負荷Ｌとで構成されている。

この充電器から本体機器への電力伝送は、１次側である充電器の送電用コイルと、２次側である本体機器の受電用コイルとの間の電磁誘導作用を利用して行われる。

本実施例の非接触充電機器は、上記で説明した非接触充電モジュールを備えるため、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電機器を小型化及び薄型化することができる。

本発明の非接触充電モジュールによれば、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化することができるため、特にポータブルである電子機器に有用であり、携帯電話、ポータブルオーディオ、携帯用のコンピュータなどの携帯端末、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯機器などの様々な電子機器の非接触充電モジュールとして有用である。

１ 非接触充電モジュール
２ 平面コイル部
２１ コイル
２２、２３ 端子
３ 磁性シート
３１ 平坦部
３２ 凸部
３３ 凹部
３４ スリット

上記課題を解決するために本発明は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイル面を載置し、前記平面コイル部のコイル面に対向するように設けられた磁性シートと、を備え、前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、前記平面コイル部は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回し、前記磁性シートは、前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回されている部分に対向する部分に、前記磁性シートを薄くするような環状の凹部またはスリットを備え、前記環状の凹部の内部に前記複数の導線を収納することを特徴とする非接触充電モジュールとした。

請求項１に記載の発明は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイル面を載置し、前記平面コイル部のコイル面に対向するように設けられた磁性シートと、を備え、前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、前記平面コイル部は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回し、前記磁性シートは、前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回されている部分に対向する部分に、前記磁性シートを薄くするような環状の凹部またはスリットを備え、前記環状の凹部の内部に前記複数の導線を収納することを特徴とする非接触充電モジュールあって、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化することができる。

請求項３に記載の発明は、前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回した部分は、一段で巻回した部分よりも面積が小さいことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュールであって、コイルのうちなるべく多くの部分を１段構造とすることで、交流抵抗を低く抑え、伝送効率を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、前記平面コイル部のコイルの面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、前記平面コイル部は、内側部を複数段に重ねて巻回しており、外側部を前記内側部で巻回した段数よりも少ない段数で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュールであって、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電モジュールを小型化及び薄型化することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかひとつに記載の非接触充電モジュールに備えられた平面コイル部を、送電用コイルまたは受電用コイルの少なくともいずれかひとつに用いたことを特徴とする非接触充電機器であって、平面コイル部の断面積を十分に確保して電力伝送効率を向上させた状態で、非接触充電機器を小型化及び薄型化することができる。

Claims (6)

1. 複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、
   前記平面コイル部のコイルの面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、
   前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、
   前記平面コイル部は、一部を複数段に重ねて巻回しており、他の一部を一段で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュール。
2. 前記平面コイル部は、その内側を複数段に重ねて巻回しており、残りの外側を一段で巻回したことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュール。
3. 前記磁性シートの、前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回されている部分に対向する部分に、前記磁性シートを薄くするような環状の凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュール。
4. 前記平面コイル部の複数段に重ねて巻回した部分は、一段で巻回した部分よりも面積が小さいことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電モジュール。
5. 複数の導線が渦巻き状に巻回された平面コイル部と、
   前記平面コイル部のコイルの面に対向するように設けられた磁性シートとを備え、
   前記複数の導線は、お互いにその両端でそれぞれ接続しており、
   前記平面コイル部は、内側部を複数段に重ねて巻回しており、外側部を前記内側部で巻回した段数よりも少ない段数で巻回したことを特徴とする非接触充電モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれかひとつに記載の非接触充電モジュールに備えられた平面コイル部を、送電用コイルまたは受電用コイルの少なくともいずれかひとつに用いたことを特徴とする非接触充電機器。

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