(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の導体部が渦巻き状に配置された平面コイルであって、
前記導体部の長手方向に沿って、複数の開口部が設けられ、
前記導体部における単位面積あたりの前記複数の開口部の面積比率が、前記渦巻きの中心に近づくほど大きくなるように、当該複数の開口部が設けられていること
を特徴とする平面コイル。
【請求項２】
前記複数の開口部は、前記導体部の長手方向に延びる複数の列をなして設けられており、
前記複数列のうち隣り合う列の開口部同士が、互い違いに配設されていること
を特徴とする請求項１記載の平面コイル。
【請求項３】
前記各開口部の大きさが、前記渦巻きの中心に近づくほど大きくされていること
を特徴とする請求項１又は２記載の平面コイル。
【請求項４】
前記導体部における単位面積あたりの前記複数の開口部の数が、前記渦巻きの中心に近づくほど多くなるように、当該複数の開口部が設けられていること
を特徴とする請求項１又は２記載の平面コイル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の平面コイルと、
電磁誘導によって前記平面コイルに誘起される電圧に基づき駆動される負荷回路と
を備えることを特徴とする電気機器。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の平面コイルと、
前記平面コイルに高周波電流を供給する高周波電流供給部と
を備えることを特徴とする電力供給装置。
【請求項７】
請求項５記載の電気機器と、
前記電気機器における平面コイルと対向配置され、当該平面コイルに電磁誘導によって電圧を誘起する電力供給装置と
を備えることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項８】
前記電力供給装置は、請求項６に記載の電力供給装置であり、
前記電気機器と前記電力供給装置とは、前記電気機器における平面コイルと前記電力供給装置における平面コイルとが対向配置されること
を特徴とする請求項７記載の非接触電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波で用いられる平面コイルに関する。そして、このような平面コイルを用いる電気機器、電力供給装置、及び非接触電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触で電磁誘導により電力を伝送する非接触電力伝送機器において、電力伝送に用いられる一般的なコイルは金属線（銅線）、あるいは金属板（銅板）を巻いて作られている。しかしながら、このような一般的なコイルでは、コイルに高周波電流が流れるときに生じる近接効果などの影響により、高周波損失が発生し、電力伝送効率が低下してしまう。
【０００３】
そこで、このような高周波損失を低減するために、コイルにリッツ線を用いた電力電送装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−２３００３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コイルにリッツ線を用いると、コイルの厚みが増大するという、不都合があった。また、コイルの厚みが増大すると、このようなコイルを用いた電気機器や、このような電気機器に非接触で電力を供給する電力供給装置を薄型化することが困難になるという、不都合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、高周波損失を低減しつつ薄型化が可能な平面コイル、及びこれを用いた電気機器、電力供給装置、非接触電力伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る平面コイルは、平板状の導体部が渦巻き状に配置された平面コイルであって、前記導体部の長手方向に沿って、複数の開口部が設けられ、前記導体部における単位面積あたりの前記複数の開口部の面積比率が、前記渦巻きの中心に近づくほど大きくなるように、当該複数の開口部が設けられている。
【０００７】
この構成によれば、平面コイルの導体部に設けられた複数の開口部によって、導体部上で渦電流ができるスペースが小さくなり、渦電流のループが小さくなる。その結果、渦電流損失が低減されて、平面コイルにおける高周波損失が低減される。また、導体部には、導体部の長手方向、すなわち電流の流れる方向に沿って複数の開口部が設けられているので、複数の開口部によって流れる電流の方向が散乱される結果、近接効果が低減されて、高周波損失が低減される。これにより、平板状の導体部が渦巻き状に配置された薄型の平面コイルにおいて、高周波損失を低減することが出来る。
また、この構成によれば、平面コイルは、渦巻きの中心に近づくほど磁束密度が高くなる。従って、磁束密度が高くなる位置ほど、導体部における単位面積あたりの開口部の面積比率が大きくなって、導体部上で渦電流ができるスペースが小さくなる結果、渦電流のループが小さくなる。これにより、磁束密度が高く、渦電流が出来易い箇所ほど、渦電流のループが小さくなって渦電流損が低減される一方、磁束密度が低く、渦電流が出来難い箇所ほど、開口部の面積比率が小さくなって、開口部による導体部の導体断面積の減少が抑制される。
この結果、磁束密度が小さい箇所では、開口部による導体部の直流抵抗の増大が抑制されて、直流損失が低減される。これにより、平面コイル全体での損失が最も低減されるように、渦電流損の低減と直流抵抗の増大とのバランスをとることが可能となる。
【０００８】
また、前記複数の開口部は、前記導体部の長手方向に延びる複数の列をなして設けられており、前記複数列のうち隣り合う列の開口部同士が、互い違いに配設されていることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、複数の列をなす開口部のうち、隣り合う列の開口部同士が、互い違いに配設されていることにより、電流が散乱される程度が増す結果、開口部が互い違いになっていない場合よりも近接効果が低減されて、高周波損失が低減される。
【００１３】
また、前記各開口部の大きさが、前記渦巻きの中心に近づくほど大きくされていることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、各開口部の大きさが、渦巻きの中心に近づくほど大きくなることにより、導体部における単位面積あたりの複数の開口部の面積比率を、渦巻きの中心に近づくほど大きくすることができる。
【００１５】
また、前記導体部における単位面積あたりの前記複数の開口部の数が、前記渦巻きの中心に近づくほど多くなるように、当該複数の開口部が設けられているようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、導体部における単位面積あたりの前記複数の開口部の数が、前記渦巻きの中心に近づくほど増加することにより、導体部における単位面積あたりの複数の開口部の面積比率を、渦巻きの中心に近づくほど大きくすることができる。また、この構成では、開口部の大きさを変えることで単位面積あたりの開口部の面積比率を変えるよりも、開口部の数を増加させることが容易なので、開口部の数を増加させて導体部に流れる電流を散乱させ易くなる結果、近接効果を低減することが容易になる。
【００１７】
また、本発明に係る電気機器は、上述の平面コイルと、電磁誘導によって前記平面コイルに誘起される電圧に基づき駆動される負荷回路とを備える。
【００１８】
この構成によれば、電磁誘導によって平面コイルに誘起される電圧に基づき駆動される負荷回路を備えた電気機器を、巻線コイルより薄い平面コイルを用いることで薄型化しつつ、高周波損失を低減することが可能となる。
【００１９】
また、本発明に係る電力供給装置は、上述の平面コイルと、前記平面コイルに高周波電流を供給する高周波電流供給部とを備える。
【００２０】
この構成によれば、平面コイルに高周波電流を供給することで高周波磁界を発生させる電力供給装置を、巻線コイルより薄い平面コイルを用いることで薄型化しつつ、高周波損失を低減することが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係る非接触電力伝送システムは、上述の電気機器と、前記電気機器における平面コイルと対向配置され、当該平面コイルに電磁誘導によって電圧を誘起する電力供給装置とを備える。
【００２２】
この構成によれば、電気機器が備える平面コイルでの高周波損失が低減されるので、電力供給装置からの電磁誘導による非接触電力伝送の効率が向上する。
【００２３】
また、前記電力供給装置は、上述の電力供給装置であり、前記電気機器と前記電力供給装置とは、前記電気機器における平面コイルと前記電力供給装置における平面コイルとが対向配置されることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、電力供給装置のコイルを薄型の平面コイルにしつつ高周波損失を低減することができるので、電力供給装置を小型化することが容易である。
【発明の効果】
【００２５】
このような構成の平面コイルは、高周波損失を低減しつつ薄型化が可能である。また、このような構成の電気機器、電力供給装置、及び非接触電力伝送システムは、このような平面コイルを用いることにより、小型化することが容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る平面コイルを用いた電気機器、電力供給装置、及び非接触電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す非接触電力伝送システム１は、電気機器２と電力供給装置３とを備えている。
【００２８】
電力供給装置３は、電気機器２へ電磁誘導により非接触で電力を供給する給電装置である。電力供給装置３は、例えば、接続端子３１，３２、直流電源回路３３、インバータ回路３４（高周波電流供給部）、及び平面コイル３０を備えている。接続端子３１，３２には、例えば商用交流電源１００が接続される。
【００２９】
直流電源回路３３は、例えばスイッチング電源回路により構成されており、接続端子３１，３２で受電された交流電圧を直流電圧に変換してインバータ回路３４へ供給する。インバータ回路３４は、直流電源回路３３から出力された直流電圧をチョッピングして高周波電流を生成し、平面コイル３０へ供給する。平面コイル３０は、インバータ回路３４から供給された高周波電流に応じて高周波磁界を生じる。
【００３０】
なお、電力供給装置３は、商用交流電源１００に接続されて、固定設備として使用されることが多いため、小型化のニーズが電気機器２ほど高くない。従って、平面コイル３０の代わりに巻線コイルを用いてもよいが、平面コイル３０は、後述するようにプレス加工等、安価な製造方法を用いて製造することが容易であるため、平面コイル３０を用いることにより、巻線コイルよりコストの低減が容易となる。
【００３１】
電気機器２は、例えば携帯電話器や電気ひげそり器等、電力供給装置３から非接触で電力供給を受け、その電力に基づき動作する機器である。電気機器２は、例えば、平面コイル２０、充電回路２１、二次電池２２、及び負荷回路２３を備えている。
【００３２】
電力供給装置３と電気機器２とは、対向配置されることにより、平面コイル３０と平面コイル２０とが近接して対向するように、それぞれ平面コイル３０と平面コイル２０とが配設されている。そして、平面コイル２０には、平面コイル３０により生じた高周波磁界による電磁誘導で、誘導電圧が生じるようになっている。
【００３３】
充電回路２１は、例えばスイッチング電源回路や二次電池２２の充電制御を行う制御回路等を備えて構成されている。そして、充電回路２１は、平面コイル２０に生じた交流誘導電圧から、二次電池２２の充電電流、電圧を生成し、二次電池２２を充電する。二次電池２２には、負荷回路２３が接続されている。
【００３４】
負荷回路２３は、平面コイル２０に生じた誘導電圧に基づき二次電池２２に蓄えられた電力で駆動される負荷回路である。負荷回路２３は、例えば携帯電話機における無線回路、液晶表示回路、デジタルカメラ、及びこれらの制御回路等であってもよく、例えば電気ひげそり器におけるモータであってもよく、その他種々の電気回路であってもよい。
【００３５】
図２は、図１に示す平面コイル２０，３０の構成の一例を示す平面図である。図２に示す平面コイル２０，３０は、例えば平板状の導体部４が渦巻き状に配置されて構成されている。導体部４の巻始めと巻き終わりには、リード部５，６が取り付けられている。なお、図２では、導体部４が円状に巻かれている例を示したが、円状の渦巻きにする例に限られず、例えば六角や四角等、角状の渦巻きにしてもよい。
【００３６】
また、導体部４には、長手方向に沿って、複数の開口部７が設けられている。導体部４及び開口部７は、例えば金属板を、プレスによる打ち抜き、エッチング、あるいはレーザ加工することにより、形成されている。特に、平面コイル２０，３０をプレスによる打ち抜きで形成することとすれば、巻線コイルより安価に製造することが容易である。
【００３７】
なお、例えば図３に示すように、プリント配線基板の製造プロセスを用いて、例えばガラスエポキシやポリイミドの基板８の表面に、導体部４、開口部７、及びリード部６を形成するようにしてもよい。また、導体部４の巻始めは、スルーホール５１を介して基板８の裏面に形成された図略のリード部に接続されるようにしてもよい。
【００３８】
図４は、図２に示す導体部４の拡大図である。図４に示すように、開口部７は、例えば導体部４の線幅に対して１０〜５０％程度の直径の円に形成されている。なお、開口部７は、円形に限られず、例えば図５に示すように、一辺が導体部４の線幅に対して１０〜５０％程度の四角形等の多角形であってもよく、その他の形状であってもよい。また、導体部４に対して四角形等の開口部７が配置される方向も限定されない。
【００３９】
図６は、図１に示す平面コイル２０の動作を説明するための概念図である。図６に示す平面コイル２０は、図２に示す平面コイル２０のＸ−Ｘ断面を示している。図６に示す電力供給装置３ａは、図１に示す電力供給装置３において、平面コイル３０の代わりに巻線コイル３０ａを備えた例を示している。図６に示すように、電気機器２と電力供給装置３ａとが対向配置されると、平面コイル２０と巻線コイル３０ａとが、電気機器２の筐体の壁２５と電力供給装置３ａの筐体の壁３５とを間に挟んで対向配置される。
【００４０】
平面コイル２０は、磁性体層９で覆われており、巻線コイル３０ａには、鉄芯３６がはめ込まれている。そして、巻線コイル３０ａに高周波電流が流れると、巻線コイル３０ａで生じた磁束が鉄芯３６及び磁性体層９を流れて平面コイル２０に誘導電圧が誘起される。なお、鉄芯３６及び磁性体層９は必ずしも必要ではないが、鉄芯３６及び磁性体層９を設けることにより、巻線コイル３０ａと平面コイル２０との磁気結合が強化されて、巻線コイル３０ａから平面コイル２０への電力伝送効率が向上する。
【００４１】
図６に示すように、平面コイル２０の方が、巻線コイル３０ａより薄い。このように、電気機器２において、例えばリッツ線を用いた巻線コイルを用いる場合に比べて平面コイル２０を用いることにより、コイルを薄型にすることができるので、電気機器２を薄型化することが容易となる。
【００４２】
また、平面コイル２０の導体部４には、図４や図５に示すように開口部７が設けられているので、導体部４上で渦電流ができるスペースが小さくなり、渦電流のループが小さくなる。その結果、渦電流損失が低減されて、平面コイル２０における高周波損失が低減される。
【００４３】
また、板状の導体を高周波電流が流れると、平行して流れる交流電流相互間での電磁相互作用により、見かけ上の交流抵抗が増大する近接効果が生じる。しかし、導体部４には、導体部４の長手方向、すなわち電流の流れる方向に沿って複数の開口部７が設けられているので、複数の開口部７によって流れる電流の方向が散乱される結果、近接効果が低減されて、高周波損失が低減される。
【００４４】
なお、例えば図７（ａ）に示すように、導体部４の長手方向に沿って、複数列、例えば開口部７ａの列と開口部７ｂの列との２列設けるようにしてもよい。さらに、開口部７ａと開口部７ｂとが互い違いになるように配設されることが好ましい。また、図７（ｂ）に示すように、例えば開口部７ａの列と開口部７ｂの列と開口部７ｃの列との３列設け、開口部７ａ，７ｂ，７ｃのうち少なくとも隣接する列の開口部同士が互い違いになるように配設されてもよい。また、図７（ｃ）に示すように、開口部７ｄが導体部４の側部に届いて、導体部４の側部が分断されていてもよい。
【００４５】
このように、導体部４の長手方向に沿って複数の開口部７が互い違いに設けられることにより、電流が散乱される程度が増す結果、開口部７が互い違いになっていない場合よりも近接効果が低減されて、高周波損失が低減される。
【００４６】
なお、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示すように、開口部７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、四角形等の多角形であってもよく、その他の形状であってもよい。また、導体部４に対して四角形等の開口部７が配置される方向も限定されない。
【００４７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る平面コイル２０ａ，３０ｂを用いた電気機器２ａ、電力供給装置３ａ、及び非接触電力伝送システム１ａについて説明する。本発明の第２実施形態に係る電気機器２ａ、電力供給装置３ａ、及び非接触電力伝送システム１ａの構成は、図１で示される。
【００４８】
図１に示す非接触電力伝送システム１ａは、電気機器２、及び電力供給装置３の代わりに電気機器２ａ、及び電力供給装置３ａを備える点で非接触電力伝送システム１とは異なる。また、図１に示す電気機器２ａは、電気機器２とは、平面コイル２０の代わりに平面コイル２０ａを備える点で異なる。そして、図１に示す電力供給装置３ａは、電力供給装置３とは、平面コイル３０の代わりに平面コイル３０ｂを備える点で異なる。
【００４９】
その他の構成は図１に示す非接触電力伝送システム１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。
【００５０】
図９、図１０は、平面コイル２０ａ，３０ａの構成の一例を説明するための説明図である。図１０（ａ）は平面コイル２０ａ，３０ａの外周部における開口部７を示し、図１０（ｂ）は平面コイル２０ａ，３０ａの中央部における開口部７を示し、図１０（ｃ）は平面コイル２０ａ，３０ａの内周部における開口部７を示している。
【００５１】
そして、開口部７の大きさが、平面コイル２０ａ，３０ａの中心に近づくほど大きくされて、導体部４における単位面積あたりの開口部７の面積比率が、渦巻きの中心に近づくほど大きくなるようにされている。例えば、平面コイル２０ａ，３０ａの外周部では、開口部７の面積比率が０％以上３０％未満にされており（図１０（ａ））、平面コイル２０ａ，３０ａの外周部には、開口部７を必ずしも設けなくてもよい。また、平面コイル２０ａ，３０ａの中央部では、開口部７の面積比率が３０％以上５０％未満にされており（図１０（ｂ））、平面コイル２０ａ，３０ａの内周部では、開口部７の面積比率が５０％以上〜７０％未満にされている（図１０（ｃ））。
【００５２】
平面コイル２０ａ，３０ａは、渦巻きの中心に近づくほど磁束密度が高くなる。従って、磁束密度が高くなる位置ほど、導体部４における単位面積あたりの開口部７の面積比率が大きくなって、導体部４上で渦電流ができるスペースが小さくなる結果、渦電流のループが小さくなる。これにより、磁束密度が高く、渦電流が出来易い箇所ほど、渦電流のループが小さくなって渦電流損が低減される一方、磁束密度が低く、渦電流が出来難い箇所ほど、開口部７の面積比率が小さくなって、開口部７による導体部４の導体断面積の減少が抑制される。
【００５３】
この結果、磁束密度が小さい箇所では、開口部７による導体部４の直流抵抗の増大が抑制されて、直流損失が低減される。これにより、平面コイル２０ａ，３０ａ全体での損失が最も低減されるように、渦電流損の低減と直流抵抗の増大とのバランスをとることが可能となる。
【００５４】
なお、例えば図１１に示すように、開口部７の大きさは変えずに、例えば平面コイル２０ａ，３０ａの外周部では図１１（ａ）、平面コイル２０ａ，３０ａの中央部では図１１（ｂ）、平面コイル２０ａ，３０ａの内周部では図１１（ｃ）にそれぞれ示すように、渦巻きの中心に近づくほど導体部４における単位面積あたりの開口部７の数が多くなるように、開口部７を設けることで、導体部４における単位面積あたりの開口部７の面積比率が、渦巻きの中心に近づくほど大きくなるようにしてもよい。
【００５５】
これにより、磁束密度が高く、渦電流が出来易い箇所ほど、渦電流のループが小さくなって渦電流損が低減される一方、磁束密度が低く、渦電流が出来難い箇所ほど、開口部７の面積比率が小さくなって、開口部７による導体部４の導体断面積の減少が抑制される。
【００５６】
この結果、磁束密度が小さい箇所では、開口部７による導体部４の直流抵抗の増大が抑制されて、直流損失が低減される。これにより、平面コイル２０ａ，３０ａ全体での損失が最も低減されるように、渦電流損の低減と直流抵抗の増大とのバランスをとることが可能となる。
【００５７】
さらに、開口部７の大きさを変えることで単位面積あたりの開口部７の面積比率を変えるよりも、開口部７の数を増加させることが容易なので、開口部７の数を増加させて導体部４に流れる電流を散乱させ易くなる結果、近接効果を低減することが容易になる。
【００５８】
なお、図１０、図１１においても、開口部７は、四角形等の多角形であってもよく、その他の形状であってもよい。また、導体部４に対して四角形等の開口部７が配置される方向も限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る平面コイルを用いた電気機器、電力供給装置、及び非接触電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す平面コイルの構成の一例を示す平面図である。
【図３】図２に示す平面コイルの変形例を示す平面図である。
【図４】図２に示す導体部の拡大図である。
【図５】図４に示す開口部の変形例を示す拡大図である。
【図６】図１に示す平面コイルの動作を説明するための概念図である。
【図７】図４に示す開口部の他の変形例を示す拡大図である。
【図８】図７に示す開口部の他の変形例を示す拡大図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る平面コイルの構成の一例を説明するための説明図である。
【図１０】図９に示す平面コイルの導体部の拡大図である。（ａ）は平面コイルの外周部における開口部を示し、（ｂ）は平面コイルの中央部における開口部を示し、（ｃ）は平面コイルの内周部における開口部を示している。
【図１１】図１０に示す開口部の変形例を示す拡大図である。（ａ）は平面コイルの外周部における開口部を示し、（ｂ）は平面コイルの中央部における開口部を示し、（ｃ）は平面コイルの内周部における開口部を示している。
【符号の説明】
【００６０】
１，１ａ  非接触電力伝送システム
２，２ａ  電気機器
３，３ａ  電力供給装置
４  導体部
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  開口部
８  基板
９  磁性体層
２０，２０ａ  平面コイル
２１  充電回路
２２  二次電池
２３  負荷回路
３０，３０ｂ  平面コイル
３０ａ  巻線コイル
３３  直流電源回路
３４  インバータ回路
３６  鉄芯
【図１】
0005113554.tif 000002
【図２】
0005113554.tif 000003
【図３】
0005113554.tif 000004
【図４】
0005113554.tif 000005
【図５】
0005113554.tif 000006
【図６】
0005113554.tif 000007
【図７】
0005113554.tif 000008
【図８】
0005113554.tif 000009
【図９】
0005113554.tif 000010
【図１０】
0005113554.tif 000011
【図１１】
0005113554.tif 000012