JPH11176677A

JPH11176677A - コードレスパワーステーション

Info

Publication number: JPH11176677A
Application number: JP9338786A
Authority: JP
Inventors: Naoto Sato; 直人佐藤; Kouichi Saitou; 孝一歳桃; Tadakuni Sato; 忠邦佐藤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】出力側部分で電池を不要として小型化を実現
できる。【解決手段】空隙を介して対向し、パワーの入力側部
分２０で一次側コイル２１、他方の出力側部分１０で二
次側コイル１１を構成する二つのコイルを含み、この対
向するコイル間に生じる電磁誘導作用を利用して非接触
で電力を伝送する際、出力側部分１０で、一次側コイル
２１と二次側コイル１１とが対向する面と反対の面に二
次側コイル１１と接続する小型回路部品１４による充電
回路を備えて電力を出力し、対向する一次側コイル２１
と二次側コイル１１との少くとも一方でこの二つが対向
する面と反対の面に軟磁性体層のフェライトコア１２を
設けている。一次側コイル２１から電力を受ける出力側
部分１０は、最小に構成するため、二次側コイル１１を
一つとし、かつ軟磁性体層を入力側部分２０の一次側コ
イル２１の外側に設けてフェライトコア１２を省略する
こともできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空隙を介して対向
し、パワーの入力側部分で一次側コイル、他方の出力側
部分で二次側コイルを構成する二つのコイルを含み、こ
の対向するコイル間に生じる電磁誘導作用を利用して非
接触で電力を伝達するコードレスパワーステーションに
関し、特に、出力側部分を小型化できるコードレスパワ
ーステーションに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のコードレスパワーステー
ションでは、１ワット（Ｗ）以上の非接触電力伝送が多
く実現されており、電磁誘導作用を利用するための構成
素子であるコイルおよび軟磁性体は、効率または発熱を
考慮した設計になっている。したがって、コードレスパ
ワーステーションの構造は大きな形状となっている。ま
た、数十ミリワット程度での非接触による電力伝送がな
く、小型のボタン型電池を内蔵せざるを得ない。このた
め、コードレスパワーステーションの形状および大きさ
は内蔵する電池の形状および大きさで決定されているの
が現状である。

【０００３】このように、電池を内蔵する場合では、メ
ンテナンスのための開閉蓋を必要するので、コードレス
パワーステーションの小型化設計に自由度がなくなる。

【０００４】他方、小型電池を内蔵して受ける小電力を
照明または動力などに利用する小型移動機器または可動
玩具などが多く市販されているが、これらの機器または
玩具は更に小型化が望まれ、したがって、無電池化によ
り小型化することが図られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のコード
レスパワーステーションでは、小型化する場合、非接触
で電力を伝送するためのコイルおよび軟磁性体の形状を
小型にする必要がある。しかし小型化にする場合には次
の二つの問題点がある。

【０００６】一つは、出力側部分の二次側コイルを１個
のみにすると複数個の場合と比較して伝送効率が悪化す
ることである。

【０００７】その理由は、複数個、例えば２個の場合、
直列逆ピッチ接続にして磁束の向きを一方向にすること
により効率がよくなるが、１個の場合では磁束の漏れが
増加するからである。

【０００８】また、別の一つの問題点は、コイルおよび
軟磁性体の大きさを小さくすると、上記同様の理由で、
磁束の漏れが増加し、効率が悪化すると共に損失が増加
し、温度上昇も伴うことである。

【０００９】本発明の課題は、上記問題点を解決し、出
力側部分で、電池を不要として小型化を実現できるコー
ドレスパワーステーションを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によるコードレス
パワーステーションは、小型化するために、数十ミリワ
ットという小電力を対象として、効率低下、発熱、ノイ
ズなど多少の問題を無視できる程度でコイルおよび軟磁
性体の大きさをできる限り小さくしている。

【００１１】本発明者らは、小型のために電化できない
小型機器の電化、および小型電子電気機器を更に小型化
するための手段について鋭意検討を重ねた結果、無電池
機器の電力入手手段として非接触電力伝送を思い付き、
コードレスパワーステーションの出力側部分の小型化を
図った。

【００１２】すなわち、本発明によるコードレスパワー
ステーションは、空隙を介して対向し、パワーの入力側
部分で一次側コイル、他方の出力側部分で二次側コイル
を構成するる二つのコイルを含み、この対向するコイル
間に生じる電磁誘導作用を利用して非接触で電力を伝送
するコードレスパワーステーションにおいて、前記出力
側部分で前記二つのコイルが対向する面と反対の面に前
記二次側コイルと接続する小型回路部品による充電回路
を備えて電力を出力し、かつ、前記対向するコイルの少
くとも一方でこの二つのコイルが対向する面と反対の面
に軟磁性部材により軟磁性体層を設けたことを特徴とし
ている。

【００１３】この非接触で電力を伝送するための基本と
なる技術は、本願出願人により出願された、例えば、特
開平７−２３１５８６号公報および特開平８−１４８３
６０号公報「コードレスパワーステーション」において
に提案開示されている。この装置では、送電側から受電
側へ非接触に電力を伝送するために電磁誘導作用を利用
している。

【００１４】また、別に、小型化に伴う効率の悪化を防
止するために、コイルと軟磁性体との形状の相対関係に
ついても具体的に検討した。

【００１５】この検討の結果、上記手段により非接触電
力伝送用コイルと軟磁性体とを組み合わせた非接触型充
電器を内蔵する小電力の小型電子電気機器の設計が可能
になった。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１７】図１は本発明の実施の一形態を示す説明用
断面図であり、図２は図１の回路図であり、かつ、図３
は図１の出力側部分１０の説明用分解斜視図である。

【００１８】図１に示されているように、コードレスパ
ワーステーションでは、出力側部分１０が二次側コイル
１１、軟磁性体層のフェライトコア１２、回路基板１
３、および回路基板１３に搭載される回路部品１４で構
成され、これら構成要素が筐体１５に収納され、二次側
コイル１１が入力側部分２０の一次側コイル２１との間
で電磁誘導作用により電力の供給を受けるものとする。

【００１９】図２の回路図に示されるように、出力側部
分１０は非接触型充電器を形成している。すなわち、回
路部品１４には二次側コイル１１の両端に並列に接続す
る共振用コンデンサ１７、ならびに更に並列接続される
整流用のショットキーダイオード１８および平滑コンデ
ンサ１９の直列回路が備えられ、平滑コンデンサ１９の
両端から出力電力が取り出されるものとする。一方、入
力側部分２０では入力電圧が周波数変換回路２２により
周波数変換され一次側コイル２１に供給されるものとす
る。

【００２０】次に、図３に図１および図２を併せ参照し
て出力側部分１０の構成について具体的に説明する。

【００２１】図３に示されるように、出力側部分１０は
円筒形状の筐体１５の内部に収納され、二次側コイル１
１は一つの平面渦巻き（スパイラル）型コイルであるも
のとするが、二次側コイルとして適切ならば、他の型の
コイルでもよく、フレキシブルパターンでよい。また、
巻線も一重巻きでも二重巻き以上でもよい。

【００２２】またフェライトコア１２および回路基板１
３は円盤形状を有しているものとする。回路基板１３に
搭載される回路部品１４を構成する共振用コンデンサ１
７、整流用のショットキーダイオード１８および平滑コ
ンデンサ１９は小型化を図りチップタイプであるものと
する。もちろん、チップタイプに限定されるものではな
い。

【００２３】また、図４に示されるように、二次側コイ
ル１１はフェライトコア１２の外径周辺より１ｍｍ以
上、すなわち、外径寸法としては２ｍｍ以上小さくし
て、フェライトコア１２の外側窓が１ｍｍ以上の幅であ
くようにしている。この１ｍｍ以上の外側窓は、フェラ
イトコア１２の外径寸法が５ｍｍから３０ｍｍの間で同
じ値であるものとする。図４（Ａ）に対して図４
（Ｂ），（Ｃ）では、外径寸法がほぼ“１／３”，“１
／６”のものを、二次側コイル１１，１１ｂ，１１ｃに
フェライトコア１２，１２ｂ，１２ｃを重ねた場合の二
次側コイルの側から見た裏面図である。このように、磁
束の通過路は１ｍｍ以上の幅で確保される。

【００２４】この磁束の通過路幅は大きいほどよいが、
大きくなるにしたがって、二次側コイル１１の巻線数が
減少してインダクタンスが減少し、または内径が小さく
なって内側の窓面積が縮小されるので、効率悪化の原因
となる。

【００２５】本実施の形態における形状では、軟磁性体
層であるフェライトコア１２の最大外径は小型機器にお
いて一般的に最小直径とされる３０ｍｍ以内であり、３
０ｍｍを超える場合には従来の複数個による伝送方法が
優位である。また、この最小外径は５ｍｍ以上が適切で
ある。その理由は、５ｍｍ以下の外形では十分なインダ
クタンスが得られず、直径３ｍｍ以下ではほとんど得ら
れないからである。

【００２６】次に、図５に図１および図２を併せ参照し
出力側部分１０と電磁結合する入力側部分２０について
説明する。

【００２７】図５に示される入力側部分２０では、一次
側コイル２１が、周波数変換回路２２と共にパッド２３
上に配備されており、入力電力を周波数変換回路２２を
介して取り出し、出力側部分１０の二次側コイル１１に
電力を伝送している。図示される入力側部分２０につい
ての詳細は、本願出願人が提案する特願平９−２５６６
７４号公報に構造および機能が説明されている。

【００２８】図示される入力側部分２０は、軟磁性体層
である平面パッド２３上の全面にわたってスパイラル型
の複数個の一次側コイル２１が設けられている。

【００２９】また、出力側部分１０と入力側部分２０と
の構造および電力伝送形態は、電力伝送の効率上、二次
側コイル１１と一次側コイル２１との間隙が５ｍｍ以下
になるように設定されている。また、図１に示されるよ
うに、出力側部分１０と入力側部分２０とで、二次側コ
イル１１の外側には、コイル側から発生する磁束の漏れ
を４０％以下にするように、フェライトコア１２のよう
な軟磁性体層を装着している。この軟磁性体層は二次側
コイル１１および一次側コイル２１の少なくとも一方の
外側に設ければよい。

【００３０】この構造に関する技術は、本願出願人によ
り提案されている、例えば、特開平８−１４８３６０号
公報に記載されている。

【００３１】この公開公報に記載されているように、軟
磁性部材では、スピネル型構造フェライト材（Ｍｎ−Ｚ
ｎ系）の場合、飽和磁束密度Ｂが３００ｍＴ以上、透磁
率μが４００以上、電気抵抗ρが１ｋΩ−ｍ以上である
ことが、最適条件として得られている。

【００３２】また、最適条件として、電力伝送に使用す
る周波数は５００ｋＨｚ以上であることである。また、
軟磁性部材による軟磁性体層は、０．１ｍｍから５．０
ｍｍの範囲内の厚さを有することである。すなわち、軟
磁性体層を０．１ｍｍ以上の厚さにした場合、磁束を捕
捉する効果は認められるが、５ｍｍ以上の厚さにしても
効果の上昇は認められず、逆に薄型化への効果は低下す
るからである。

【００３３】また、上記回路基板が軟磁性体層であって
もよい。この結果、更に小型化を図ることができる。上
記説明では、軟磁性体層であるフェライトコアは、スピ
ネル型構造のフェライト板が適切であるが他の種別の軟
磁性部材であってもよく、材質をフェライトに限定する
ものではない。また、軟磁性体層は可撓性を有してもよ
く、この場合には二次側コイルと共に湾曲した入力側部
分の表面に均等に接することができる。

【００３４】これら軟磁性体層は、可撓性を有する場
合、軟磁性部材として偏平状、針状、および粒状のうち
少くとも一つの形状による粉末を用いて形成され、この
粉末の適切な大きさは平均粒径が１５０μｍ以下であ
る。

【００３５】次に、図６に図１、図３および図５を併せ
参照して、図３により示された、本発明によるコードレ
スパワーステーションの出力側部分１０の構成部品を組
み込んだ小型機器の使用例について説明する。

【００３６】図６（Ａ）には、地図３０の表面に照光マ
ーカ４０を置いた様子が示されている。照光マーカ４０
には、出力に発光ダイオードを接続した、図１に示され
た出力側部分１０が組み込まれている。また、図６
（Ｂ）に示されるように、紙製の地図３０の裏面には、
電源を入力した図５に示されたようなパッド２３が配さ
れている。地図３０の厚さは十分な光量を得るため上述
された範囲以内のサイズであるものとする。

【００３７】したがって、地図３０を介してパッド２３
の一次側コイル２１上に位置する照光マーカ４０は、内
蔵する出力側部分１０で、一次側コイル２１を含むコー
ドレスパワーステーションの入力側部分２０から電力の
伝送を受けることにより発光ダイオードが発光し、地図
３０の表面を照らすことができる。一方、一次側コイル
２１の位置上を外れた照光マーカ４０ａでは、電力の伝
送を受けることができず、地図３０の表面を照らすこと
ができない。

【００３８】図面では地図が平面板として描かれている
が、上述されたように、入力側部分２０のパッドおよび
照光マーカ４０の軟磁性体層が可撓性を有する場合には
一次側コイルおよび二次側コイルの両者が共に湾曲した
表面に均等に接することができるので、利用範囲が拡大
される。

【００３９】また、他の利用分野として、出力側部分で
出力に発光素子の代わりにブザーを有する小型機器が制
作できる。更に、出力側部分の出力電力で駆動するモー
ターを内蔵するラジオコントロール自動車を、広い入力
側部分のパッド上で走らせることが可能である。

【００４０】上記説明では、出力側部分の最も小型化を
目指して、一つの二次側コイルを設けるとしたが、二次
側コイルは複数設けてもよい。また、上述したように、
一次側コイルおよび二次側コイルの形状はスパイラル型
およびミアンダ型のいずれでもよいが、少くとも一方が
スパイラル型であることにより、伝送効率の向上を図る
ことができる。

【００４１】また、上記説明では二次側コイルを平面ス
パイラル型としたが、一次側コイルが平面スパイラル型
の場合には対向する二次側コイルは平面ミアンダ型がよ
い。なお、互いに対向するコイルが平面ミアンダ型の場
合は効果的な組み合わせである。その理由は、隣接する
導線から発生する磁束が互いに逆向きであるため互いに
強め合い、更に周囲への電磁雑音を抑制でき位置ずれに
よる伝送特性の劣化が抑制できると共に平面的自由度が
高いシステムが得られるからである。

【００４２】一方、互いに対向するコイルが平面スパイ
ラル型の場合は、複数のコイルの空芯コイルが同一平面
上に密に位置された際にそれに応じて磁束量の増加が生
じるので薄型のまま出伝送電力の増加が図れる。その反
面、対向するコイルが平面スパイラル型で径が同一の場
合には、一つの二次側コイルではコイルの中心軸が一次
側コイルの半径分ずれた際に伝送電力が零になるという
問題が生じる。

【００４３】また、上記説明では、出力側部分の筐体を
円筒形とし内部の構成要素も円盤形状を図示して説明し
たが、これらの形状は円形に限定されるものではない。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、非
接触電力伝送による出力側部分を小電力に限定して小型
化できる構成および構造を実現できるので、従来、電化
できなかった小型機器の電化、または、小電力電子機器
の無電池化による小型化設計の自由度の向上等に効果を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す機能ブロック図で
ある。

【図２】図１を対象にした実施の一形態を示す回路図で
ある。

【図３】図１における出力側部分の一形態を示す説明用
分解斜視図である。

【図４】図１における部分的位置関係の一形態を示す説
明図である。

【図５】図１における入力部分の一形態を示す平面図で
ある。

【図６】本発明の利用形態における実施の一形態を示す
説明図である。

【符号の説明】

１０出力側部分１１二次側コイル１２軟磁性体層のフェライトコア１３回路基板１４回路部品１５筐体１７共振用コンデンサ１８ダイオード１９平滑コンデンサ２０入力側部分２１一次側コイル２２周波数変換回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空隙を介して対向し、パワーの入力側部
分で一次側コイル、他方の出力側部分で二次側コイルを
構成する二つのコイルを含み、この対向するコイル間に
生じる電磁誘導作用を利用して非接触で電力を伝送する
コードレスパワーステーションにおいて、前記出力側部
分で前記二つのコイルが対向する面と反対の面に前記二
次側コイルと接続する小型回路部品による充電回路を備
えて電力を出力し、かつ、前記対向するコイルの少くと
も一方でこの二つのコイルが対向する面と反対の面に軟
磁性部材による軟磁性体層を設けたことを特徴とするコ
ードレスパワーステーション。
【請求項２】請求項１に記載のコードレスパワーステ
ーションにおいて、前記対向するコイルの少くとも一方
は、平面スパイラル（渦巻き）型コイルであることを特
徴とするコードレスパワーステーション。
【請求項３】請求項１に記載のコードレスパワーステ
ーションにおいて、前記対向するコイルの少くとも一方
は、ミアンダ（蛇行）型コイルであることを特徴とする
コードレスパワーステーション。
【請求項４】請求項１に記載のコードレスパワーステ
ーションにおいて、前記対向するコイルの入力側は、平
面ミアンダ型コイルおよび平面渦巻き型コイルのいずれ
か一方によって構成され、かつ入力側が平面ミアンダ型
コイルの場合には出力側を平面渦巻き型コイルにより構
成することを特徴とするコードレスパワーステーショ
ン。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか一
つに記載のコードレスパワーステーションにおいて、前
記軟磁性体層はスピネル型構造フェライト板により形成
されることを特徴とするコードレスパワーステーショ
ン。
【請求項６】請求項１から請求項４までのいずれか一
つに記載のコードレスパワーステーションにおいて、前
記軟磁性体層は可撓性を有することを特徴とするコード
レスパワーステーション。
【請求項７】請求項６に記載のコードレスパワーステ
ーションにおいて、可撓性を有する前記軟磁性体層は偏
平状、針状、および粒状のうち少くとも一つの形状によ
る粉末を用いて形成されることを特徴とするコードレス
パワーステーション。
【請求項８】請求項７に記載のコードレスパワーステ
ーションにおいて、前記粉末は平均粒径を１５０マイク
ロメートル（μｍ）以下の大きさであることを特徴とす
るコードレスパワーステーション。
【請求項９】請求項１から請求項５までのいずれか一
つに記載のコードレスパワーステーションにおいて、前
記軟磁性部材は、スピネル型構造フェライト材（Ｍｎ−
Ｚｎ系）であり、かつ飽和磁束密度Ｂが３００ミリテス
ラ（ｍＴ）以上、透磁率μが４００以上であることを特
徴とするコードレスパワーステーション。
【請求項１０】請求項１から請求項５までのいずれか
一つに記載のコードレスパワーステーションにおいて、
前記軟磁性部材は、スピネル型構造フェライト材（Ｍｎ
−Ｚｎ系）であり、かつ電気抵抗ρが１キロオーム・メ
ートル（ｋΩ−ｍ）以上であることを特徴とするコード
レスパワーステーション。
【請求項１１】請求項１から請求項５までのいずれか
一つに記載のコードレスパワーステーションにおいて、
前記軟磁性部材は、スピネル型構造フェライト材（Ｍｎ
−Ｚｎ系）であり、かつ電力伝送に使用する周波数が５
００キロヘルツ（ｋＨｚ）以上であることを特徴とする
コードレスパワーステーション。
【請求項１２】請求項１から請求項１１までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、前記軟磁性部材を構成する軟磁性体層は、０．１ミ
リメートル（ｍｍ）から５．０ミリメートル（ｍｍ）の
範囲内の厚さを有することを特徴とするコードレスパワ
ーステーション。
【請求項１３】請求項１から請求項１２までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、前記軟磁性部材を構成する軟磁性体層は、前記一次
側コイルおよび前記二次側コイル両者により形成される
部分の外側部分に装着されるコアを形成し、このコアの
内側から発生する磁束の漏れを４０％以下にすることを
特徴とするコードレスパワーステーション。
【請求項１４】請求項１から請求項１３までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、入力側部分と出力側部分との間隙が０ミリメートル
（ｍｍ）から５ミリメートル（ｍｍ）の範囲であること
を特徴とするコードレスパワーステーション。
【請求項１５】請求項１から請求項１４までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、前記出力側部分の前記軟磁性部材は、１０００メガ
オーム・メートル（ＭΩ−ｍ）以上の比抵抗を有し、構
成する軟磁性体層が出力側部分の回路基板であることを
特徴とするコードレスパワーステーション。
【請求項１６】請求項１から請求項１５までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、前記出力側部分は、コイルの数量を１個にして小型
化することを特徴とするコードレスパワーステーショ
ン。
【請求項１７】請求項１から請求項１５までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、前記軟磁性部材は、前記入力側部分のみに設け、前
記出力側部分を小型化することを特徴とするコードレス
パワーステーション。
【請求項１８】請求項１から請求項１７までのいずれ
か一つに記載のコードレスパワーステーションにおい
て、前記出力側部分の二次側コイルの外形は、この出力
側部分に設けられる前記軟磁性体層の外形より小さく、
１ミリメートル（ｍｍ）以上内側にあることを特徴とす
るコードレスパワーステーション。