(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルと、前記コイルの後面側に配置されたコイルヨークと、前記コイルヨークの穴に面内方向及び／又は厚さ方向の磁気ギャップを介して配置された磁気吸着手段とを具備することを特徴とする非接触充電装置用磁気回路。
【請求項２】
請求項1に記載の非接触充電装置用磁気回路において、前記コイルヨークが中央穴を有するドーナツ板状であり、前記磁気吸着手段が前記コイルヨークの中央穴内に同軸的に配置されていることを特徴とする非接触充電装置用磁気回路。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の非接触充電装置用磁気回路において、前記磁気吸着手段の前面が前記コイルの前面と同じ高さであることを特徴とする非接触充電装置用磁気回路。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の非接触充電装置用磁気回路において、前記磁気吸着手段の少なくとも一部が、面内方向に見たとき前記コイルヨークの中央穴に入っていることを特徴とする非接触充電装置用磁気回路。
【請求項５】
請求項1〜4のいずれかに記載の非接触充電装置用磁気回路において、前記コイルヨークはロール急冷法により製造された厚さ100μｍ以下の少なくとも一層の軟磁性合金シートからなり、前記軟磁性合金シートの総厚が200μｍ以下であることを特徴とする非接触充電装置用磁気回路。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれかに記載の非接触充電装置用磁気回路において、前記磁気吸着手段が、円板状永久磁石と、前記円板状永久磁石を受承する凹部を有する円形のキャップ形状を有する磁気ヨーク部材とからなり、前記円板状永久磁石が前面側に位置することを特徴とする非接触充電装置用磁気回路。
【請求項７】
請求項1〜6のいずれかに記載の磁気回路を有することを特徴とする非接触充電装置用給電装置。
【請求項８】
請求項1〜6のいずれかに記載の磁気回路を有することを特徴とする非接触充電装置用受電装置。
【請求項９】
請求項7に記載の給電装置と、請求項8に記載の受電装置とを具備することを特徴とする非接触充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送効率をほとんど低下させることなく、給電装置の一次コイルに対して受電装置の二次コイルを確実に位置決めできる非接触点充電装置、及びそれに用いる磁気回路、給電装置及び受電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の小型情報通信機器の高性能化及び高機能化が進められており、またWeb端末やミュージックプレヤー等の長時間の連続使用も求められている。これらの小型情報通信機器や電子機器では電源としてリチウムイオン電池等の二次電池が使用されている。【０００３】
二次電池の充電方法には接触充電方式と非接触充電方式とがある。接触充電方式は、受電装置の電極と給電装置の電極とを直接接触させて充電を行う方式で、構成が単純なため従来から広く採用されているが、受電装置の電極形状にあった接続プラグと充電器が必要である。非接触充電方式は、給電装置及び受電装置の両方がコイルを有し、電磁誘導を利用して電力伝送するものである。非接触充電方式では給電装置と受電装置を直接接触させるための電極が必要ないため、同じ給電装置で異なる受電装置を充電できる。また非接触充電方式には、腐食のおそれがある電極を用いないので、安定して電力の受給電を行うことができるという利点がある。【０００４】
非接触充電装置では、一次コイルに発生した磁束は給電装置と受電装置のケースを介して二次コイルに起電力を発生させる。電力伝送効率を向上させるために、一次コイル及び二次コイルの後面に、充電中にコイルから発生した磁束の漏洩を防止するコイルヨークが設置される。漏れ磁束が他の部品や金属部材に流れると渦電流による発熱が起こるが、コイルヨークはこれを抑制する磁気シールド材としも機能する。例えば特開平11-176677号は、二次コイルと回路部品との間にフェライトコアを具備する非接触充電装置を開示している。【０００５】
空芯の一次コイル及び二次コイルの場合、高い電力伝送効率が得られるようにできるだけ広い面積で重ならせるため、両者の中心軸を一致させる必要がある。例えば、特開平11-176677号には、両コイルの中心軸が半径分ずれると、伝送電力が零になると記載されている。給電装置に受電装置を正確に位置決めするために、給電装置のケースを受電装置のケースに嵌合させる方式がある。しかし、この方式では給電装置は各受電装置に対応する給電面を有する必要があり、各種の受電装置に対して給電装置を共有化できない。【０００６】
特開2008-301553号は、携帯電話機等の被充電機器に非接触式に充電する装置であって、一次コイルをケース内に備えたクレードルは被充電機器を余裕を持って載置可能な面積を有するほぼ平板状の載置部を有し、載置部のうち一次コイルの中心に対応する部分に許容範囲マークを含む鏡面部が設けられており、被充電機器の二次コイルの中心位置を示す中心マークが載置部の許容範囲マークと一致するように、中心マークを鏡面部に映しながら被充電機器を載置部上に位置決めする装置を開示している。しかし、この装置では各被充電機器に中心マークを予め設けておく必要があり、デザイン的に好ましくないだけでなく、両マークを一致させる作業は暗い所ではできないという不便もある。【０００７】
特開2009-159677号は、給電装置の給電面及び充電装置の充電面の裏側にそれぞれ永久磁石を取り付け、一次コイルと二次コイルの中心軸が一致するように磁気吸着により両者を位置決めするための取付手段を有する非接触充電アダプタを開示している。取付手段は、装置の外周に沿って環状に延在するように組合せた細いL字型の二つの永久磁石からなる。両装置ともコイルの外側に配置された環状の永久磁石を有するので、コイルの裏にコイルヨークを設けると、永久磁石から発生した磁束が内側のコイルヨークに流れ易く、永久磁石に近接するコイルヨークの部分が磁気飽和し易い。磁気飽和したコイルヨーク部分は透磁率が大きく低下するので、ヨークとしての機能が十分得られず、電力伝送効率が低下する。その上、細いL字型の永久磁石を希土類磁石で作製するのは困難であり、またハンドリング中に破壊し易い。また細いL字型の永久磁石を例えばゴム磁石で作製すると、磁力が不十分であり、十分な位置決め精度が得られない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の目的は、電力伝送効率をほとんど低下させることなく、給電装置の一次コイルに対して受電装置の二次コイルを確実に位置決めでき、優れた実用性を有する非接触充電装置、及びそれに用いる磁気回路、給電装置及び受電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の非接触充電装置用磁気回路は、コイルと、前記コイルの後面側に配置されたコイルヨークと、前記コイルヨークの穴に面内方向及び／又は厚さ方向の磁気ギャップを介して配置された磁気吸着手段とを具備することを特徴とする。【００１０】
前記コイルヨークは中央穴を有するドーナツ板状であり、前記磁気吸着手段は前記コイルヨークの中央穴内に同軸的に配置されているのが好ましい。【００１１】
前記磁気吸着手段の前面は前記コイルの前面と同じ高さであるのが好ましい。つまり、前記磁気吸着手段及び前記コイルは平坦な給電面及び充電面のできるだけ近くに配置されているのが好ましい。【００１２】
前記磁気吸着手段の少なくとも一部は、面内方向に見たとき前記コイルヨークの中央穴に入っているのが好ましい。【００１３】
前記コイルヨークはロール急冷法により製造された厚さ100μｍ以下の少なくとも一層の軟磁性合金シートからなり、前記軟磁性合金シートの総厚は200μｍ以下であるのが好ましい。【００１４】
前記磁気吸着手段は、円板状永久磁石と、前記円板状永久磁石を受承する凹部を有する円形のキャップ形状を有する磁気ヨーク部材とからなり、前記円板状永久磁石は前面側に位置するのが好ましい。【００１５】
本発明の非接触充電装置用給電装置は上記磁気回路を有することを特徴とする。【００１６】
本発明の非接触充電装置用受電装置は上記磁気回路を有することを特徴とする。【００１７】
本発明の非接触充電装置は、上記磁気回路を有する給電装置と、上記磁気回路を有する受電装置とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の非接触充電装置用磁気回路は、磁気吸着手段がドーナツ板状のコイルヨークの中央穴内に磁気ギャップを介して同軸的に配置されているので、簡単な構造でありながら、電力伝送効率の低下を抑制しつつ、給電装置の一次コイルの中心軸に受電装置の二次コイルの中心軸を確実に位置決めできる。また本発明の非接触充電装置は、コイルヨークの中央穴の中心に小さな磁気吸着手段を配置した構造を有するので、各種の受電装置に対して一つの給電装置で対応できるように優れた実用性を有する。このような特徴を有する本発明の非接触充電装置は、携帯電話、携帯音楽プレーヤー、携帯情報端末、小型パソコン、電子回路を搭載した腕時計等の小型携帯電子製品や、電動歯ブラシ、リモコン等の小型電子製品等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の非接触充電装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】図1の非接触充電装置における給電装置の構成を示す部分断面平面図である。
【図３】本発明の非接触充電装置に用いる給電装置の一例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の非接触充電装置に用いる受電装置の一例を示す分解斜視図である。
【図５（ａ）】磁気吸着手段とコイルヨークとの位置関係の一例を示す部分概略断面図である。
【図５（ｂ）】磁気吸着手段とコイルヨークとの位置関係の別の例を示す部分概略断面図である。
【図５（ｃ）】磁気吸着手段とコイルヨークとの位置関係のさらに別の例を示す部分概略断面図である。
【図５（ｄ）】磁気吸着手段とコイルヨークとの位置関係のさらに別の例を示す部分概略断面図である。
【図５（ｅ）】磁気吸着手段とコイルヨークとの位置関係のさらに別の例を示す部分概略断面図である。
【図５（ｆ）】磁気吸着手段とコイルヨークとの位置関係のさらに別の例を示す部分概略断面図である。
【図６（ａ）】磁気吸着手段の一例を示す断面図である。
【図６（ｂ）】磁気吸着手段の別の例を示す断面図である。
【図６（ｃ）】磁気吸着手段のさらに別の例を示す断面図である。
【図６（ｄ）】磁気吸着手段のさらに別の例を示す断面図である。
【図７】本発明の非接触充電装置の別の例を示す概略断面図である。
【図８】実施例2において磁場解析に用いた非接触充電装置を示す概略断面図である。
【図９】磁気吸着手段の外径とコイルヨーク内の磁束密度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例3において電力伝送効率の測定に用いた非接触充電装置を示す概略断面図である。
【図１１】図10の部分拡大図である。
【図１２】電力伝送効率の測定に用いる回路を示すブロック図である。
【図１３】磁気ギャップと電力伝送効率との関係を示すグラフである。
【図１４】コイルヨークの中心からの距離とコイルヨーク内の磁束密度との関係を示すグラフである。
【図１５】非接触充電装置の回路の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を適用し得る非接触充電装置は図15に示す回路構成を有する。給電装置20は、交流電流を供給する給電部21と、交流電流を直流電流に整流するために給電部21に接続された整流回路22と、直流電流を入力して所定周波数の高周波電流に変換するスイッチング回路23と、高周波電流が流れるようにスイッチング回路23に接続された一次コイル201と、スイッチング回路23と同じ周波数で共振するように一次コイル201に並列接続された共振用コンデンサ26と、スイッチング回路23に接続された制御回路24と、制御回路24に接続された制御用一次コイル25とを具備する。制御回路24は、制御用一次コイル25から得られる誘導電流に基づきスイッチング回路23の動作を制御する。
【００２１】
受電装置30は、一次コイル201から発生した磁束を受ける二次コイル301と、二次コイル301に接続された整流回路32と、整流回路32に接続された二次電池33と、二次電池33の電圧から蓄電状況を検出するために二次電池33に接続された電池制御回路34と、電池制御回路34に接続された制御用二次コイル35とを具備する。二次コイル301には共振用コンデンサ（図示せず）を並列接続しても良い。整流された電流は、二次電池33に蓄電される他、電子回路や駆動部材（図示せず）等に利用される。電池制御回路34は、二次電池33の蓄電状況に応じて最適な充電を行うための信号を制御用二次コイル35に流す。例えば、二次電池33がフル充電になった場合、その情報の信号を制御用二次コイル35に流し、制御用二次コイル35に電磁結合する制御用一次コイル25を介して信号を給電装置20の制御回路24に伝える。制御回路24はその信号に基づきスイッチング回路23をOFFにする。
【００２２】
図1〜図4は非接触充電装置に用いる給電装置20及び受電装置30の構造の好ましい一例を示す。非接触充電装置は、一次コイル201、磁気吸着手段211及びコイルヨーク212からなる磁気回路を有する給電装置20と、二次コイル301、磁気吸着手段311及びコイルヨーク312からなる磁気回路を有する受電装置30とからなる。簡単化のために、給電装置20において一次コイル201、磁気吸着手段211及びコイルヨーク212の各々の給電面203側の面を「前面」と呼び、給電面203と反対側の面を「後面」と呼ぶ。また受電装置30において二次コイル301、磁気吸着手段311及びコイルヨーク312の各々の受電面303側の面を「前面」と呼び、受電面303と反対側の面を「後面」と呼ぶ。さらに各コイル201，301、磁気吸着手段211，311及びコイルヨーク212，312の厚さ方向を単に「厚さ方向」と呼ぶ。
【００２３】
給電装置20のケース202は薄い非磁性樹脂板からなる上ケース202a及び下ケース202bからなる。上ケース202aの上面は給電面203を構成し、裏面は平坦である。上ケース202aの平坦な裏面中央部に、平坦な前面を有する磁気吸着手段211と、磁気吸着手段211を磁気ギャップを介して同軸的（同心円状）に囲む平面螺旋状で平坦な前面を有する一次コイル201とが固定されている。ここで、「同軸的」とは磁気吸着手段211の中心軸と一次コイル201の中心軸とが一致することを意味し、両者が円形の場合には両者は同心円となる。一次コイル201は、二次コイル301との電磁結合を高めるために給電面203のできるだけ近くに配置されている。磁気吸着手段211と一次コイル201との磁気ギャップは、一次コイル201が磁気吸着手段211の磁束の影響を実質的に受けないように大きくするのが好ましい。一次コイル201を平面コイルとすることにより磁気回路を薄型化でき、給電装置を低背化できる。一次コイル201を絶縁性樹脂でモールドしても良い。
【００２４】
一次コイル201の後面には、一次コイル201をほぼ覆う大きさの（一次コイル201の外径より大きな外径と一次コイル201の内径より小さな内径を有する）ドーナツ板状のコイルヨーク212が同心円状に隣接しており、一次コイル201から発生する磁束の漏洩を防止している。磁気吸着手段211は、厚さ方向に見たとき磁気ギャップを介してコイルヨーク212の中央穴に同心円状に受承されている。従って、磁気吸着手段211はコイルヨーク212に対しても同心円状に配置されている。
【００２５】
下ケース202bの内面（図3における上面）に基板218が固定されている。誘電体からなる基板218には、一次コイル201の導線端部が接続されるコイル端子27、共振用コンデンサ26、整流回路22、スイッチング回路23等が実装されている。図2では、共振用コンデンサ26、整流回路22、スイッチング回路23等を纏めて207で示す。
【００２６】
図4は非接触充電装置に用いる受電装置30の一例を示す。受電装置30のケース302は、充電の際に給電装置20の給電面203に接する充電面303を有する薄い平坦な樹脂板状の下ケース302aと、液晶表示部39等を有する上ケース302bとからなる。充電面303の平坦な裏側中央に、平坦な前面を有する磁気吸着手段311と、磁気吸着手段311を磁気ギャップを介して同心円状に囲む平面螺旋状で平坦な前面を有する二次コイル301とが固定されている。二次コイル301は、一次コイル201と対向する位置で充電面303の近くに配置されている。磁気吸着手段311と二次コイル301との磁気ギャップは、二次コイル301が磁気吸着手段311の磁束の影響を実質的に受けないように大きくするのが好ましい。二次コイル301を平面コイルとすることにより磁気回路を薄型化でき、給電装置を低背化できる。二次コイル301を絶縁性樹脂でモールドしても良い。
【００２７】
二次コイル301の後面には、二次コイル301をほぼ覆う大きさの（二次コイル301の外径より大きな外径と二次コイル301の内径より小さな内径を有する）ドーナツ板状のコイルヨーク312が同心円状に隣接しており、二次コイル301から発生する磁束の漏洩を防止している。厚さ方向に見たとき、磁気吸着手段311は磁気ギャップを介してコイルヨーク312の中央穴に同心円状に受承されている。従って、磁気吸着手段311はコイルヨーク312に対しても同心円状に配置されている。
【００２８】
上ケース302bの裏面（図4における上面）には基板318が固定されている。誘電体からなる基板318には、二次コイル301の導線端部が接続されるコイル端子37、整流回路32及び二次電池33の他に、必要に応じて駆動装置（図示せず）等が実装されている。コイルヨーク312は、二次コイル301から発生する磁束が漏れないように二次コイル301に隣接しているのが好ましい。基板318とコイルヨーク312とは固着されていなくても良い。
【００２９】
給電装置20及び受電装置30のいずれの磁気回路においても、磁気吸着手段211，311の前面はコイル201，301の前面と同じ高さであるのが好ましい。つまり、磁気吸着手段211，311と伝送コイル201，301が平坦な給電面203及び充電面303の近くに配置されているのが好ましい。前面側に配置された二次コイル301は一次コイル201と電磁結合しやすく、高い電力伝送効率が得られる。また、前面側に配置された磁気吸着手段311は、給電装置20の磁気吸着手段311に対して大きな吸着力を有し、小さい永久磁石で給電装置20と受電装置30の位置決めを容易に正確に行うことができ、もって磁気吸着手段311から漏れる磁束量を減らすことができる。このため、コイルヨーク312の磁気飽和する範囲が小さくなり、コイルヨーク312の透磁率の低下を防止し、高い電力伝送効率が得られる。
【００３０】
給電装置20の一次コイル201の巻数は受電装置30の二次コイル301の巻数より多くしても良い。受電装置30ほど小型化が求められない給電装置20には巻数が多い一次コイル201を用いることができ、相互誘電作用により二次コイル301に発生する電圧で二次電池33に短時間で電力を蓄えることができる。磁気吸着手段211は、受電装置30の磁気吸着手段311と同じで良い。
【００３１】
コイルヨークに用いる軟磁性材は、ロール急冷により製造された厚さ100μm以下のFe系アモルファス合金、Co系アモルファス合金、Fe系ナノ結晶合金、Co系ナノ結晶合金等の薄帯が好ましい。例えばFe系ナノ結晶合金又はCo系ナノ結晶合金の場合、TaAbMcSidBe（ただし、TはFe及び／又はCoであり、AはCu及び／又はAuであり、MはMo、Mn、Cr、Ti、Nb、Ta、W、Al及びSnからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、a，b，c，d及びeはそれぞれ原子％で65≦a≦80、0.3≦b≦5、1≦c≦10、5≦d≦15、及び5≦e≦15の条件を満たす。）により表される基本組成を有し、平均結晶粒径が50 nm以下の微細結晶粒が50体積％以上を占めるのが好ましい。A元素はFeにほぼ非固溶であり、凝集して微結晶クラスターの形成を促進する元素である。A元素が0.3原子％未満ではその作用を十分に発揮できず、5原子％を超えると粗大結晶粒ができやすく、磁気特性を悪化させる。B及びSiは非晶質形成元素である。M元素は熱処理後に残留するアモルファス相に優先的に入るため、Fe濃度の高い微細結晶粒の生成を助け、軟磁気特性の改善に寄与する。M元素が1原子％未満であるとその作用を十分に発揮できず、10原子％を超えると飽和磁束密度の低下に繋がる。
【００３２】
非接触充電装置は比較的高い周波数で受給電を行うため、軟磁性金属からなるコイルヨークが厚いと渦電流損が大きくなり、電力伝送効率が低下してしまう。そのため、これらの薄帯の厚さは50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、25μm以下が最も好ましい。渦電流の発生を抑制するため、コイルヨークは複数の軟磁性薄帯を非導電性樹脂層を介して積層することにより形成しても良い。給電装置20では薄肉化の要求が大きくないので、コスト低減のためにコイルヨークを高飽和磁束密度を有するフェライトにより形成しても良い。
【００３３】
アモルファス合金及びナノ結晶合金は低周波数帯域で高い透磁率が得られので、漏洩磁束の発生を十分に抑えることができる。ナノ結晶合金からなるコイルヨークは180 kHz以下、特に150 kHz以下の周波数帯域で使用するのが好ましく、フェライトからなるコイルヨークは180 kHz超の周波数帯域で使用するのが好ましい。
【００３４】
コイルヨークの総厚（コイルヨーク内の軟磁性シートの合計厚さ）は200μm以下が好ましく、150μm以下がより好ましく、100μm以下が最も好ましく、50μm以下が特に好ましい。例えば携帯電話等の携帯機器の場合、厚さ25μm以下の軟磁性シートを2枚重ねたコイルヨークで本発明の効果が十分に得られる。軟磁性シートが薄いほどコイルヨークの磁気吸着手段に近い部分は磁気飽和しやすいので、コイルヨークと磁気吸着手段との間に磁気ギャップを介在させることにより、磁気飽和するコイルヨークの範囲を狭める。特に、低背化が求められる非接触充電装置用の磁気回路は厚さ方向に空間的な余裕がないので、厚さ方向より面内方向でコイルヨークと磁気吸着手段との間に磁気ギャップを形成する方が好ましい。
【００３５】
受電装置及び給電装置の落下、衝撃等による破損を防止するために、コイルヨークに保護シートとして樹脂シートを固着しても良い。受給電の際の発熱を考慮して、樹脂シートは高耐熱性を有するのが好ましい。コイルヨークと同様に保護シートをドーナツ板状にしても良い。
【００３６】
磁気吸着手段211，311とコイルヨーク212，312との間の各磁気ギャップは空隙でも良いし、透磁率が10以下の材料で形成されていても良い。各磁気ギャップの幅は、(a) コイルに対するヨーク機能を十分に発揮するとともに、(b) コイルヨークの近傍部分の磁気飽和を防止して透磁率の低下を抑制し、もって電力伝送効率の低下を抑制する範囲に設定するのが好ましく、具体的には0.1〜15 mmの範囲が好ましい。各磁気ギャップの幅が0.1 mm以上であれば、コイルヨークの磁気飽和の抑制効果が十分に得られる。各磁気ギャップの幅は0.3 mm以上がより好ましく、0.5 mm以上が最も好ましく、1 mm以上が特に好ましい。また、各磁気ギャップの幅が15 mm以下であれば、コイルヨークの面積を大きく保てるので、非接触充電装置を大型化することなく高い電力伝送効率が得られる。各磁気ギャップの幅の上限は10 mmがより好ましく、8 mmが最も好ましい。
【００３７】
例えば磁気吸着手段211，311の吸着力向上を狙って磁気吸着手段211，311をコイル201，301より厚くする場合、磁気回路の低背化のために、磁気吸着手段211，311の少なくとも一部を面内方向においてコイルヨーク212，312の中央穴の内側に位置させるのが好ましい。図5(a)〜図5(f) は、受電装置30を例にとって、磁気吸着手段311とコイルヨーク312との種々の位置関係を示す。いずれも磁気吸着手段311の前面はコイル301の前面と同一平面上にある。
【００３８】
図5(a) は、磁気吸着手段311の後面がコイルヨーク312の後面と同一平面上にある例を示す。図5(b) は、磁気吸着手段311の後面がコイルヨーク312の後面より後方に位置する例を示す。図5(a) 及び図5(b) に示すように、磁気吸着手段311がコイルヨーク312の中央穴内にあるかその後方に突出すると、磁束は磁気吸着手段311の後面からコイルヨーク312の後面側に流れやすくなり、コイルヨーク312の磁気飽和する面積が小さくなる。図5(c) は、磁気吸着手段311の後面がコイルヨーク312の前面と同一平面上にある例を示す。
【００３９】
図5(d) に示す例では、厚さ方向に見たとき磁気吸着手段311の少なくとも一部がコイルヨーク312と重なり、面内方向に見たとき両者間に磁気ギャップがある。コイルヨーク312の磁気飽和を防ぐために、磁気吸着手段311の前面とコイルヨーク312の後面との間の磁気ギャップTは0.1 mm以上が好ましく、0.2 mm以上がより好ましく、0.3 mm以上が最も好ましい。受電装置の低背化のために、磁気ギャップTの上限は1 mmが好ましく、0.8 mmがより好ましい。コイルヨーク312の前面側に樹脂シートを用いる場合、樹脂シートとは別に磁気ギャップTを設けても良い。
【００４０】
図5(e) に示す例では、磁気吸着手段311は中央凸部311cを有する円板部dからなり、中央凸部311cはコイルヨーク312の中央穴に磁気ギャップWを介して受承され、円板部dは厚さ方向に見たとき磁気ギャップTを介してコイルヨーク312と重なる。中央凸部311cは円形であるのが好ましい。中央凸部311cがコイルヨーク312の中央穴内にあると、磁束は凸部311cからコイルヨーク312の後面側に流れやすくなり、コイルヨーク312の磁気飽和する面積が小さくなる。
【００４１】
図5(f) に示す例では、コイルヨーク312の中央穴を樹脂シート312aで覆うか、その少なくとも一部に樹脂シート312aを充填している。中央穴の透磁率が十分に低ければ（例えば10以下であれば）、コイルヨーク312の磁気飽和を十分抑制できる。樹脂シート312aで覆う場合、例えば、ロール急冷により製造した軟磁性合金薄帯からなるコイルヨーク312に設けた穴の少なくとも一方の側に樹脂シート312aを貼り付ける。中央穴を樹脂シート312aで覆うことにより、磁気回路の内部に金属粉や埃などが混入するのを防ぐことができ、またコイルヨーク312の機械的強度を高めることもできる。中央穴の両側を樹脂シート312aで覆うと、内部の軟磁性金属に対して防錆効果が得られる。
【００４２】
磁気吸着手段311は円形でも、正方形等の多角形でも良い。給電装置30にも勿論上記と同じ構造の磁気回路を用いることができる。ただし給電装置20の場合、磁気吸着手段211が一次コイル201より上方（給電面203側）にずれていても良く、例えば磁気吸着手段211の後面が一次コイル201の前面と同一平面上にあっても良い。
【００４３】
磁気吸着手段211，311は、(a) 円板状永久磁石211a，311aと軟磁性材からなる磁気ヨーク部材211b，311bとからなるか、(b) 円板状永久磁石211a，311aのみからなるか、(c) 磁気ヨーク部材211b，311bのみからなるのが好ましい。図6(a) に示す磁気吸着手段211，311は、円板状永久磁石211a，311aと、前面側に開口するキャップ形状の磁気ヨーク部材211b，311bとからなる。磁気ヨーク部材211b，311bの開口端は二次コイル301の前面と同一面上にあるのが好ましい。図6(b) に示す磁気吸着手段211，311は、円板状永久磁石211a，311aと円板状磁気ヨーク部材211b，311bとからなる。図6(c) に示す磁気吸着手段211，311は円板状永久磁石211a，311aのみからなり、図6(d) に示す磁気吸着手段211，311は円板状磁気ヨーク部材211b，311bのみからなる。図6(d) の磁気吸着手段211，311を用いる場合、給電装置20の磁気吸着手段211は永久磁石3を有する必要がある。円形の磁気吸着手段を用いると、コイルヨークとの磁気ギャップが均一となり、また受電装置30と給電装置20とがどの方向にずれても一定の吸着力が得られるので好ましい。
【００４４】
永久磁石211a，311aにフェライト磁石、希土類磁石等を使用できるが、給電装置20と受電装置30の磁気吸着力、小型化及び低背化を考慮すると、NdFeB系希土類焼結磁石が好ましい。永久磁石としては、等方性磁石より磁気吸着力が強く、かつ給電装置と受電装置がどの方向で接触しても一定の吸着力が発生するので、厚さ方向に配向した異方性磁石が好ましい。厚さ方向に着磁された永久磁石を用いると、磁気吸着手段の前面から出る磁束量は多いが側面（コイルヨークとの対向面）から出る磁束量は少ないので、図5(a) 及び図5(b) のような磁気回路に用いると、コイルヨークの磁気飽和を抑制しつつ大きな磁気吸着力を発揮できる。希土類磁石に施す酸化防止用の被覆処理は、コイル201，301から発生する磁束による渦電流の影響を考慮して、金属メッキより樹脂被覆の方が好ましい。
【００４５】
給電装置の一次コイル及び受電装置の二次コイルの少なくとも一方に、共振回路を構成する共振用コンデンサが接続されているのが好ましく、両方に接続されているのがより好ましい。特にコイルにコアを用いない非接触充電装置では、共振回路を利用することにより電力伝送効率を高める。充電装置が共振回路を有する場合、コイルの巻数を適宜調整する。
【００４６】
磁気ヨーク部材211b，311bは、永久磁石211a，311aからの磁束を局所的に集中させて給電装置20と受電装置30との磁気吸着力を高めるとともに、永久磁石211a，311aからの磁束がコイルヨーク212，312に流れ込むのを防ぐ。そのため、磁気ヨーク部材211b，311bは円板状とするより、図6(a) に示すように前面側が開口した円形のキャップ状とするのが好ましい。従って、永久磁石211a，311aと磁気ヨーク部材211b，311bからなる磁気吸着手段211，311を用いる場合、永久磁石211a，311aを前面側に配置し、磁気ヨーク部材211b，311bを後面側に配置するのが好ましい。磁気ヨーク部材211b，311bは軟磁性材であれば良く、電磁鋼板のように高飽和磁束密度のものが好ましい。また磁気ヨーク部材211b，311bを用いると、永久磁石311a単独の場合より磁気吸着手段を薄くできる利点が得られる。
【００４７】
給電装置20の給電面203と受電装置30の充電面303はともに平坦であるのが好ましく、特に給電装置30の給電面203が平坦であるのが好ましい。平面な給電面203により、一つの給電装置20で種々のサイズの受電装置30に対応できる。
【００４８】
コイルヨーク212，312の外径をコイル201，301の外径より大きくすると電力伝送効率が向上するが、コイルヨーク212，312の外径が大きすぎると磁気回路が大型化するだけでなく、電力伝送効率が飽和する。従って、コイルヨーク212，312の大きさは、必要な電力伝送効率、及び給電装置及び受電装置の大きさに応じて決める。
【００４９】
図7は、受電装置30内のコイルヨーク312のみがドーナツ板状で、給電装置20内のコイルヨーク212が平板状である本発明の非接触充電装置の別の例を示す。この例では、給電装置20のコイルヨーク212に比較的厚いフェライト板を使用することができる。図7では、整流回路32、二次電池33、電池制御回路34等を纏めて307で示す。また磁気吸着手段211を図6(a)〜図6(c) に示す永久磁石211aを用いた構造とし、磁気吸着手段311を図6(d) に示す磁気ヨーク部材311b単独の構造としても良い。薄型化の要求は受電装置30の方に強いので、磁気吸着手段311だけを薄い磁気ヨーク部材311b単独で構成しても良い。また、複雑な電気回路が内蔵された受電装置30にだけ磁気ヨーク部材311bのみからなる磁気吸着手段を用いると、電気回路の安定動作が計れる。さらに、受電装置30にだけアモルファス合金又はナノ結晶合金からなるコイルヨーク312を設け、給電装置20に安価なフェライト板を用いると、コスト低減に効果的である。
【００５０】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５１】
実施例1
図1に示す構造で下記寸法を有する非接触充電装置を作製し、磁場解析を行った。
【００５２】
(1) 給電装置
一次コイル201とドーナツ板状のコイルヨーク212を同心円状に接着し、コイルヨーク212の中央穴に図6(a) に示す磁気吸着手段211を同心円状に配置することにより、図1に示す給電装置20を作製した。一次コイル201は巻数20ターンで線径0.5 mmの銅線からなり、内径15 mm、外径35 mm及び厚さ1 mmであった。ドーナツ板状のコイルヨーク212は内径10 mm及び外径40 mmで、厚さ20μmのFe基ナノ結晶合金薄帯（日立金属株式会社製の「ファインメットFT1」）二枚を積層し、その両面に厚さ50μmのポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムを積層することにより形成した。磁気吸着手段211は、外径8 mm、内径7 mm、肉厚0.5 mm及び凹部の深さ0.5 mmのキャップ形状の磁気ヨーク部材211bと、磁気ヨーク部材211bの凹部に固定された内径6 mm及び外径7 mmの磁気ギャップ形成用非磁性リングと、非磁性リングの内側に固定された直径6 mm及び厚さ0.5 mmの円板状永久磁石211aにより構成された。永久磁石211aは、樹脂被覆したNdFeB系希土類磁石（日立金属株式会社製の「NEOMAX（NMX-S36UH）」、Br＝1.2 T）からなるものであった。磁気吸着手段211の前面と一次コイル201の前面とは同じ高さであった。
【００５３】
(2) 受電装置
二次コイル301とドーナツ板状のコイルヨーク312を同心円状に接着し、コイルヨーク312の中央穴に図6(a) に示す磁気吸着手段311を同心円状に配置することにより、図1に示す受電装置30を作製した。二次コイル301は巻数10ターンで線径0.5 mmの銅線からなり、内径20 mm、外径30 mm及び厚さ1 mmであった。ドーナツ板状コイルヨーク312は内径10 mm及び外径35 mmで、厚さ20μmのFe基ナノ結晶合金薄帯（日立金属株式会社製の「ファインメットFT1」）を二枚を積層し、その両面に厚さ50μmのPETフィルムを積層することにより形成した。磁気吸着手段311は磁気吸着手段211と同じ構成とした。磁気吸着手段311の前面と二次コイル301の前面とは同じ高さであった。
【００５４】
(3) 磁場解析結果
給電装置20及び受電装置30の接触面側のケースの厚さをそれぞれ0.5 mmとし、両磁気吸着手段211，311間の距離を1 mmとして、磁場解析を行った結果、磁気吸着手段211，311間の吸着力は1.1 Nであり、受電装置30のコイルヨーク312内の最大磁束密度は0.4 Tであった。
【００５５】
実施例2
図8に示す非接触充電装置において、磁気吸着手段311の外径とコイルヨーク312内の磁束密度との関係を磁場解析により求めた。一次コイル201は巻数16ターンで線径0.5 mmの銅線からなり、内径17 mm、外径36 mm及び厚さ1.0 mmであり、二次コイル301は巻数8ターンで線径0.5 mmの銅線からなり、内径22 mm、外径32 mm及び厚さ0.5 mmであった。内径10 mm及び外径40 mm及び厚さ1.0 mmのドーナツ板状コイルヨーク212はMn-Zn系フェライトにより形成した。内径10 mm及び外径35 mmのドーナツ板状コイルヨーク312は、厚さ20μmのFe基ナノ結晶合金薄帯（日立金属株式会社製の「ファインメットFT1」）を厚さ10μｍの接着シートを介して二枚積層することにより形成した。磁気吸着手段211の前面をコイル201の前面と同じ高さとし、磁気吸着手段311の前面もコイル301の前面と同じ高さとした。磁気吸着手段211、311はいずれも表1に示す寸法で図6(a) に示す形状を有していた。磁気吸着手段211の後面をコイルヨーク212の前面と同じ高さとし、磁気吸着手段311の厚さ方向中心をコイルヨーク312の厚さ方向中心と同じ高さとした。20℃で周波数120 kHzの電流を入力する条件で磁場解析を行った結果を図9に示す。
【００５６】
【表１】
0005477393.tif 000002
【００５７】
磁気ヨーク部材の外径がコイルヨーク312の中央穴の直径と同じで、磁気吸着手段とコイルヨーク312の間に磁気ギャップがないサンプル1では、磁気吸着手段に近いコイルヨーク312の部分が飽和し（Fe基ナノ結晶合金の飽和磁束密度と同じ約1.2 Tに達し）、さらに磁束が加わってもヨークとしての役割を果たすことができず、非接触充電装置の電力伝送効率は低下した。
【００５８】
これに対して、磁気吸着手段とコイルヨーク312の中央穴内面との間に磁気ギャップが介在するサンプル2〜6では、サンプル1より低い磁束密度となり、コイルヨーク312の磁気飽和が抑制された。磁気ギャップが大きい程、コイルヨーク312内の磁束密度は低下した。コイルヨークの透磁率低下の抑制により非接触充電装置の電力伝送効率は向上する。コイルヨーク内の磁束密度は磁気ギャップ、磁気吸着手段の永久磁石等により変動するので、これらの寸法を最適化する必要がある。
【００５９】
実施例3
図10に示す非接触充電装置について、磁気吸着手段とコイルヨークの間の磁気ギャップの幅と非接触充電装置の電力伝送効率との関係を求めた。
【００６０】
(1) 給電装置
外径40 mm及び厚さ1 mmのフェライト円板からなるコイルヨーク212を樹脂製の基板218の上に固定した。コイルヨーク212の上に一次コイル201として、巻数16ターンで線径0.5 mmの銅線からなり、外径40 mm、内径20 mm及び厚さ0.5 mmの樹脂被覆された平面コイルを同心円状に重ねた。磁気吸着手段211として、外径15 mm、及び厚さ0.5 mmの円板状永久磁石（表面磁束密度＝150 mT）を一次コイル201と同心円状に配置した。磁気吸着手段211の前面とコイル201の前面を同じ高さにした。
【００６１】
(2) 受電装置
ドーナツ板状コイルヨーク312は、厚さ18μｍのFe基ナノ結晶合金薄帯（日立金属株式会社製の「ファインメットFT3」）を厚さ10μｍの接着シートを介してそれぞれ3層、6層及び9層積層することにより形成した。コイルヨーク312は厚さ3 mmのアルミ合金基板318に固定した。各層数のコイルヨーク312の外径及び内径を表2に示す。
【００６２】
【表２】
0005477393.tif 000003
【００６３】
二次コイル301として、巻数8ターンで線径0.5 mmの銅線からなり、外径40 mm、内径20 mm及び厚さ0.5 mmの樹脂被覆された平面コイルを用いた。磁気吸着手段311として直径15 mm及び厚さ0.5 mmの軟磁性冷間圧延鋼円板をコイルヨーク312と同心円状に配置した。磁気吸着手段311の前面を、二次コイル301の前面と同じ高さとなるように樹脂板11に固定した。図11は、受電装置30の磁気吸着手段311の外周面とコイルヨーク312の中央穴の内周面との間の磁気ギャップWを拡大して示す。
【００６４】
(3) 電力伝送効率の測定
一次コイル201と二次コイル301を厚さ1.5 mmの樹脂板11を介して同軸的に対向させ、図12に示すように測定器に接続した。共振用コンデンサ26のキャパシタンスを調整して一次コイル201と二次コイル301を共振可能にした。給電装置20の一次コイル201に20℃で周波数120 kHzの電流を入力し、下記式により電力伝送効率を求めた。結果を図13に示す。
電力伝送効率P＝(V2×A2)/(V1×A1)
（ただし、V1は一次コイル201と共振用コンデンサ26の直列共振回路の両端間の電圧値であり、A1は一次コイル201に流れる電流値であり、V2は二次コイル301の両端間の電圧値であり、A2は二次コイル301に流れる電流値である。）
【００６５】
図13から明らかなように、電力伝送効率は0 mmより大きい磁気ギャップWで極大となった。コイルヨーク312の中央穴の直径が大きくなって磁気ギャップWが大きくなるにつれ、コイルヨーク312の面積が小さくなるので、電力伝送効率が低下すると予想されたが、磁気吸着手段311とコイルヨーク312の間に磁気ギャップを設けることにより、かえって電力伝送効率が向上することが分った。この傾向は、図6(a)，図6(b) 及び図6(c) に示す磁気吸着手段を用いた場合でも認められる。
【００６６】
いずれのコイルヨーク312でも、電力伝送効率PはFe基ナノ結晶合金薄帯の総厚が大きくなるほど大きくなった。具体的には、9層のコイルヨーク312（Fe基ナノ結晶合金薄帯の総厚が150μｍ以上）の場合、磁気ギャップWが2.5 mm及び5 mmのときの電力伝送効率Pは、磁気ギャップWが0 mmのときの電力伝送効率Pより8％以上大きかった。6層のコイルヨーク312（Fe基ナノ結晶合金薄帯の総厚が100μｍ以上）の場合、磁気ギャップWが5 mmのときの電力伝送効率Pは磁気ギャップWが0 mmのときの電力伝送効率Pより10％以上大きかった。3層のコイルヨーク312（Fe基ナノ結晶合金薄帯の総厚が50μｍ以上）の場合、磁気ギャップWが2.5 mm、5 mm及び7.5 mmのときの電力伝送効率Pは磁気ギャップWが0 mmのときの電力伝送効率Pより10％以上大きかった。特に磁気ギャップWが7.5 mmのときの電力伝送効率Pは磁気ギャップWが0 mmのときの電力伝送効率Pより20％以上大きかった。
【００６７】
実施例4
図8に示す非接触充電装置の給電装置20及び受電装置30に位置決め用の磁気吸着手段211、311がある場合とない場合について、電力伝送効率を磁場解析により求めた。磁気吸着手段211、311として表1に示すサンプル2を用いた。給電装置20の一次コイル201に20℃で周波数120 kHzの電流を入力し、図12に示す測定器を用いて得られたV1，V2，A1及びA2から、実施例3と同じ式により電力伝送効率を求めた。
【００６８】
磁気吸着手段がない場合の電力伝送効率は89.0％であったのに対して、磁気吸着手段がある場合の電力伝送効率は88.6％であった。磁気吸着手段に用いる永久磁石及び金属製磁気ヨーク部材は電力伝送効率の低下の原因となるが、コイルヨーク及びコイルが磁気ギャップを介して配置されているのでその影響は極めて小さいことが分かる。
【００６９】
実施例5
図8に示す構造の給電装置20及び受電装置30において、10 mmの外径を有する図6(b) に示す磁気吸着手段211、311と、6 mmの外径を有する図6(c) に示す磁気吸着手段211、311とを用いて、受電装置30のコイルヨーク312の中央穴（半径5 mm）の中心からの距離とコイルヨーク312内の磁束密度との関係を磁場解析により求めた。結果を図14に示す。
【００７０】
各磁気吸着手段の外径が10 mmの場合、各磁気吸着手段とコイルヨークが接触するためコイルヨークが部分的に磁気飽和した。一方、各磁気吸着手段の外径が6 mmの場合、コイルヨークと磁気吸着手段との間に2 mmの磁気的なギャップがあるので、コイルヨークは飽和しなかった。また、永久磁石と磁気ヨーク部材からなる図6(a) に示す磁気吸着手段の方が、永久磁石単体からなる図6(c) に示す磁気吸着手段よりコイルヨーク内部の磁束密度が大きいが、磁気吸着力は高かった。永久磁石を小さくすることによりコイルヨーク内の磁束密度を下げることができた。
【００７１】
本発明を添付図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことができる。例えば、一次コイル及び二次コイルは図示のような円形に限定されず、四角形のような多角形でも良い。コイルの形状に応じて、コイルヨークも多角形のドーナツ状として良い。また磁気吸着手段も円形に限定されず、正方形等の多角形でも良い。一次コイル及び二次コイルの巻線は厚さ方向に一段でも多段でも良い。コイルは銅線を巻回したものに限らず、印刷されたものでも良い。さらに、コイルヨークが中央に穴を有する場合を例にとって説明したが、本発明はそれに限定されず、例えば四角のコイルヨークの各隅に穴を設けて、各穴に磁気吸着手段を配置する構造でも良い。
【図１】
0005477393.tif 000004
【図２】
0005477393.tif 000005
【図３】
0005477393.tif 000006
【図４】
0005477393.tif 000007
【図５（ａ）】
0005477393.tif 000008
【図５（ｂ）】
0005477393.tif 000009
【図５（ｃ）】
0005477393.tif 000010
【図５（ｄ）】
0005477393.tif 000011
【図５（ｅ）】
0005477393.tif 000012
【図５（ｆ）】
0005477393.tif 000013
【図６（ａ）】
0005477393.tif 000014
【図６（ｂ）】
0005477393.tif 000015
【図６（ｃ）】
0005477393.tif 000016
【図６（ｄ）】
0005477393.tif 000017
【図７】
0005477393.tif 000018
【図８】
0005477393.tif 000019
【図９】
0005477393.tif 000020
【図１０】
0005477393.tif 000021
【図１１】
0005477393.tif 000022
【図１２】
0005477393.tif 000023
【図１３】
0005477393.tif 000024
【図１４】
0005477393.tif 000025
【図１５】
0005477393.tif 000026