非接触給電装置、受電モジュールおよび携帯型電子機器
【課題】受電モジュールの２次コイルとコア部材とを限られたスペースにバランスよく配置し、効率のよい電力の伝送を行うことができる非接触給電装置、この非接触給電装置に用いられる受電モジュール、および受電モジュールを備える携帯型電子機器を提供する。
【解決手段】２次コイル２３の１次コイルに対する対向面とは逆側の面に磁性体コア２４を配設する。２次コイル２３の１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、２次コイル２３の高さをｈ１、磁性体コア２４の高さをｈ２としたときに、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足するように、受電モジュール２１を構成する。
【解決手段】２次コイル２３の１次コイルに対する対向面とは逆側の面に磁性体コア２４を配設する。２次コイル２３の１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、２次コイル２３の高さをｈ１、磁性体コア２４の高さをｈ２としたときに、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足するように、受電モジュール２１を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのコイル間の電磁誘導作用により非接触で電力を供給する非接触給電装置、この非接触給電装置に用いられる受電モジュール、および受電モジュールを備える携帯型電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２つのコイル間の電磁誘導作用により、送電側から受電側へと非接触で電力を供給する非接触給電装置が知られている。非接触給電装置は、１次コイルを有する送電モジュールに対して２次コイルを有する受電モジュールを近づけて１次コイルと２次コイルとを所定の空隙を介して対向させることで、両コイル間の電磁誘導作用により送電モジュールから受電モジュールへと電力を供給するものである。このような非接触給電装置は、近年、様々な産業分野で広く利用されており、特に、電気的接点を外部に露出させる必要がなく、高い防水性を実現できることから、携帯端末や携帯時計（腕時計）などの携帯型電子機器を充電する用途で有用な技術として注目されている。
【０００３】
この種の非接触給電装置では、送電側の１次コイルにより発生した磁束を、いかにして受電側の２次コイルに効率よく伝達するかが、その性能を左右する極めて重要な課題とされている。このような観点から、下記の特許文献１や特許文献２においては、少なくとも受電側の２次コイルの１次コイルとの対向面とは逆側の面上に軟磁性体よりなるコア部材を配設し、１次コイルへの通電により誘起される磁束をこのコア部材により吸引することによって漏れ磁束を低減させて、効率のよい非接触給電を実現するという技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２３１５８６号公報
【特許文献２】特許第３４３２３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば携帯端末や携帯時計などの携帯型電子機器を充電する用途で非接触給電装置を利用する場合、２次コイルを有する受電モジュールが携帯型電子機器に内蔵されることになるが、携帯型電子機器は近年ますます小型化される傾向にあるため、受電モジュールを携帯型電子機器内部の限られたスペースに収めることが求められる場合が多い。したがって、受電モジュールが２次コイルに加えてコア部材を有する構成の場合には、２次コイルとコア材とをこの限られたスペースに配置する必要があり、２次コイルを配置できるスペースとコア部材を配置できるスペースとがトレードオフの関係となる。
【０００６】
このため、１次コイルからの磁束を吸引する機能を高めるべくコア部材のサイズを過度に大きくすると、限られたスペースの大部分をコア部材が占有して２次コイルを配置するスペースが大幅に制限され、巻数低下による２次コイルの電圧低下や磁気結合力の欠損が生じて、コア部材を用いない場合よりも却って効率が低下してしまう場合があった。つまり、２次コイルとコア部材とを限られたスペース内にバランスよく配置しないと、コア部材を設けることによって逆に電力伝送の効率低下を招いてしまうことになる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受電モジュールの２次コイルとコア部材とを限られたスペースにバランスよく配置し、効率のよい電力の伝送を行うことができる非接触給電装置、この非接触給電装置に用いられる受電モジュール、および受電モジュールを備える携帯型電子機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、１次コイルを有する送電モジュールと、２次コイルを有する受電モジュールとを備え、前記１次コイルと前記２次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから前記受電モジュールへと非接触で電力を供給する非接触給電装置において、前記受電モジュールは、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、２次コイルを有し、該２次コイルと送電モジュールの１次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから非接触で電力が供給される受電モジュールにおいて、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる携帯型電子機器は、本発明にかかる受電モジュールと、２次電池と、前記受電モジュールにより受電された電力を前記２次電池に充電する充電回路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、２次コイルとコア部材とを配置するスペース内で２次コイルの高さとコア部材の高さとの割合が最適化されるので、限られたスペースに２次コイルとコア部材とをバランスよく配置して、効率のよい電力の伝送を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、充電システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、充電式腕時計の内部構造を模式的に示した縦断面図である。
【図３】図３は、充電式腕時計に内蔵される受電モジュールの斜視図である。
【図４】図４は、受電モジュールの２次コイルと磁性体コアとの関係を説明する要部拡大断面図である。
【図５】図５は、シミュレーションのパラメータとして用いた２次コイルの高さｈ１と磁性体コアの高さｈ２との関係を一覧表として示す図である。
【図６】図６は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図７】図７は、実機試験のパラメータとして用いた２次コイルの高さｈ１と磁性体コアの高さｈ２との関係を一覧表として示す図である。
【図８】図８は、実機試験の結果を示すグラフ図である。
【図９】図９は、２次コイルと磁性体コアの幅方向のレイアウトについての複数パタンの概要を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、シミュレーションのパラメータとして用いたコイル幅ｗ１とコア幅ｗ２との関係を一覧表として示す図である。
【図１１】図１１は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる非接触給電装置、受電モジュールおよび携帯型電子機器の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下では、携帯型電子機器としての充電式腕時計（携帯時計）を充電する充電システムに本発明を適用した実施形態を例示するが、本発明は、以下で説明する例に限らず、非接触で電力を供給するシステムに対して広く適用可能である。
【００１４】
（充電システム）
まず、充電式腕時計を充電する充電システムの概要について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる充電システムの概略構成を示す模式図である。この充電システムは、送電モジュール１１を有する充電ステーション１０と、受電モジュール２１を有する充電式腕時計２０とで構成され、充電ステーション１０に備えられている電源プラグ１２を家庭用ＡＣ１００Ｖのコンセント（図示せず）に装着し、充電式腕時計２０を充電ステーション１０の所定の装着位置にセットすることで、送電モジュール１１から受電モジュール２１へ非接触給電によって電力供給を行い、充電式腕時計２０内部の２次電池２２を充電するものである。
【００１５】
充電ステーション１０の送電モジュール１１は、例えば、マンガン−亜鉛の混合材質などからなる円柱状の磁性体コア１３と、この磁性体コア１３の周囲に巻回された１次コイル１４とを有している。１次コイル１４の両端は、発振回路１５に接続されている。発振回路１５は、家庭用ＡＣ１００Ｖを所望の電圧に変換する電源回路１６に接続されており、電源プラグ１２が家庭用ＡＣ１００Ｖのコンセントに装着されると、１次コイル１４に交流電流を流す。１次コイル１４に交流電流が通電されると、この交流電流に応じて１次コイル１４が巻回中心軸に沿った方向の交番磁界を発生する。このとき、１次コイル１４の巻回中心に磁性体コア１３が配置されているので、コイル外周側を回り込んで短絡する磁束が低減され、１次コイル１４から発生する交番磁界は、充電式腕時計２０側へと効率よく伝播する。
【００１６】
一方、充電式腕時計２０に内蔵される受電モジュール２１は、充電式腕時計２０が充電ステーション１０の所定の装着位置にセットされたときに充電ステーション１０の１次コイル１４に対して所定の空隙を介して対向するように設けられた２次コイル２３と、この２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面とは逆側の面上に配設された、マンガン−亜鉛の混合材質などからなる磁性体コア２４とを有している。具体的には、２次コイル２３は例えば円形渦巻コイル、磁性体コア２４は例えば２次コイル２３と同心円状に配置された円環状コアとして構成されており、これら２次コイル２３と磁性体コア２４とが一体となってボビン（図１においては図示を省略している）に支持されている。
【００１７】
充電式腕時計２０が充電ステーション１０の所定の装着位置にセットされると、上述したように、受電モジュール２１の２次コイル２３が充電ステーション１０の１次コイル１４に対して所定の空隙を介して対向配置されるため、１次コイル１４から交番磁界が発生されると、２次コイル２３には電磁誘導作用により１次コイル１４からの交番磁界の磁束を打ち消す方向での交流電流が誘起される。このとき、２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面とは逆側の面上に磁性体コア２４が配置されているので、１次コイル１４から発生する交番磁界の磁束は磁性体コア２４により吸引され、漏れ磁束が低減されることで、１次コイル１４から発生する交番磁界が効率よく２次コイル２３の交流電流に変換される。２次コイル２３の両端は充電回路２５に接続されており、２次コイル２３を流れる交流電流は充電回路２５に供給される。充電回路２５は、２次コイル２３からの交流電流を整流、平滑化して充電式腕時計２０内の２次電池２２に供給し、この２次電池２２を充電する。
【００１８】
（充電式腕時計）
次に、充電式腕時計２０の具体的な構造の一例について、図２乃至図４を参照して説明する。図２は、本実施の形態にかかる充電式腕時計２０の内部構造を模式的に示した縦断面図、図３は、充電式腕時計２０に内蔵される受電モジュール２１の斜視図、図４は、受電モジュール２１の２次コイル２３と磁性体コア２４との関係を説明する要部拡大断面図である。この充電式腕時計２０は、図２に示すように、リューズ２６が設けられた胴２７と、裏蓋２８と、風防ガラス２９とからなる時計ケースの内部に、機能モジュール３０、受電モジュール２１、２次電池２２などを収容した構成である。
【００１９】
機能モジュール３０は、文字板、ムーブメント、集積回路搭載回路基板などを含むものである。上述した充電回路２５は、例えば、この機能モジュールの集積回路搭載回路基板上に設けられている。これら機能モジュール３０を構成する各部が必要とする電力は、２次電池２２から供給される。なお、ここでは上記の各部を機能モジュール３０の構成要素として示しているが、これらは必ずしもモジュールとして一体化されている必要はなく、個別の部品として時計ケース内部に設けられていてもよい。
【００２０】
受電モジュール２１は、図３に示すように、２次コイル２３と磁性体コア２４とをボビン３１によって一体に支持した構成である。ボビン３１は、合成樹脂などの非磁性材料よりなり、内部に２次電池２２を収容可能な大きさの円筒部３２の上端および下端に、外周側に張り出す一対のフランジ３３，３４が設けられた形状とされている。そして、このボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに、円形渦巻コイルとして構成された２次コイル２３と、円環状コアとして構成された磁性体コア２４とが同心円状に配置され、一体化されている。すなわち、２次コイル２３はボビン３１の円筒部３２を巻回中心としてその外周側に巻回され、磁性体コア２４は、２次コイル２３が巻回されたボビン３１における一対のフランジ３３，３４間の空きスペースを埋めるように、ボビン３１の円筒部３２の外周側に装着されている。なお、磁性体コア２４は、ボビン３１に装着される前は複数に分割されており、ボビン３１の円筒部３２の外周側に装着された状態で接合されて円環状コアを構成する。
【００２１】
ここで、図４に示すように、２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面に対して垂直な方向（図４中の矢印Ａの方向）を高さ方向とし、２次コイル２３の高さをｈ１、磁性体コア２４の高さをｈ２とすると、２次コイル２３と磁性体コア２４との双方がボビン３１の一対のフランジ３３，３４間の所定スペース（このスペースの高さをＨとする）内に配置されるため、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とはトレードオフの関係となる。つまり、スペース高さＨに対して２次コイル２３の高さｈ１を大きくとると磁性体コア２４の高さｈ２が小さくなり、逆に、磁性体コア２４の高さｈ２を大きくとると２次コイル２３の高さｈ１は小さくなる。なお、ボビン３１の高さ方向の寸法、すなわち、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨは、充電式腕時計２０の時計ケース内部のレイアウトに応じて定められ、充電式腕時計２０の薄型化を実現するためにこの寸法は減少傾向にある。
【００２２】
したがって、１次コイル１４からの磁束を吸引する機能を高めるべく磁性体コア２４の高さｈ２を過度に大きくして磁性体コア２４のボリュームを増大させようとすると、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースの大部分を磁性体コア２４が占有してしまい、２次コイル２３を配置するスペースが大幅に制限されることとなる。その結果、巻数低下による２次コイル２３の電圧低下や磁気結合力の欠損が生じて、磁性体コア２４を用いない場合よりも却って効率の低下を招いてしまう場合がある。すなわち、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮させるためには、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨに対して、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを最適化し、限られたスペース内に２次コイル２３と磁性体コア２４とをバランスよく配置することが重要である。
【００２３】
本件発明者は、以上の知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、後述する第１実施例および第２実施例で説明するように、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とが、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足するように受電モジュール２１を構成することにより、限られたスペースに２次コイル２３と磁性体コア２４とをバランスよく配置して、効率のよい電力の伝送を実現できることを見出すに至った。そこで、本実施の形態にかかる充電式腕時計２０では、受電モジュール２１を構成する２次コイル２３と磁性体コア２４とを、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨに適合させつつ、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足するサイズに形成して、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに配置するようにしている。
【００２４】
また、図４に示すように、２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面と平行な方向（図４中の矢印Ｂの方向）を幅方向とし、２次コイル２３の内径部から外径部までの幅（以下、「コイル幅」という。）をｗ１、磁性体コア２４の内径部から外径部までの幅（以下、「コア幅」という。）をｗ２としたときに、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２との関係を最適化することも、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を確実に発揮させる上で重要である。すなわち、２次コイル２３のコイル幅ｗ１に対して磁性体コア２４のコア幅ｗ２が過度に小さいと、磁性体コア２４を設けたことによる電力伝送の効率アップの度合いが、磁性体コア２４を設けたことで２次コイル２３を配置するスペースが制限されることによる効率低下分を超えるまでに至らず、磁性体コア２４を用いない場合よりも却って効率の低下を招いてしまうことになる。
【００２５】
本件発明者は、以上の知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、後述する第３実施例で説明するように、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２とが、１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４の関係を満足するように受電モジュール２１を構成することにより、コイル幅ｗ１とコア幅ｗ２との関係をも最適化して、効率のよい電力の伝送を確実に実現できることを見出すに至った。そこで、本実施の形態にかかる充電式腕時計２０では、受電モジュール２１を構成する２次コイル２３と磁性体コア２４とを、１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４の関係を満足するように形成し、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに配置するようにしている。なお、１＞ｗ２／ｗ１としているのは、空隙となる部分に配線を引き回して小型化を図るレイアウトを想定したものであり、単純に電力伝送の効率だけを考えた場合には、ｗ２／ｗ１＝１とすることが最適である。したがって、受電モジュール２１の周囲に配線を引き回さないレイアウトの場合には、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２とを略等しくすることが望ましい。
【００２６】
（第１実施例）
本件発明者は、所定スペース内での２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率の適正範囲を見出すべく、上述した充電ステーション１０と充電式腕時計２０とをモデル化し、解析シミュレータを用いた数値解析により、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを変化させたときに、２次コイル２３に誘起される電流値がどのように変化するかの検証を行った。
【００２７】
充電ステーション１０側の送電モジュール１１については、磁性体コア１３は材質がマンガン−亜鉛の混合材であることを想定し、比透磁率は１０００付近に設定し、磁気的な飽和は生じないものとしている。また、１次コイル１４は線径φ０．１８ｍｍのマグネットワイヤ２種を５２５回巻回したものを想定している。そして、１次コイル１４にＡＣ１００Ｖの交流電流を通電し、この１次コイル１４への通電により発生した交番磁界の磁束が充電式腕時計２０の裏蓋２８（図２参照）を通過して、時計ケース内部の受電モジュール２１に伝播する構成としている。
【００２８】
一方、充電式腕時計２０については、２次電池２２、裏蓋２８、胴２７、リューズ２６、機能モジュール３０の文字板、ムーブメントなどの磁束に影響を与える金属が存在する、図２に示した構造を前提とし、これらの導電率は、純チタンの使用を想定して、２３８０９５２[１／Ω・ｍ]であるものとしている。また、受電モジュール２１は、ボビン３１の材質が合成樹脂（磁束に影響を与えないためシミュレーション上では特に考慮する必要はない）であるものとし、一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨを１．４５ｍｍに設定している。そして、このボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに、線径φ０．０６ｍｍのマグネットワイヤ３種を用いた円形渦巻コイルよりなる２次コイル２３と、マンガン−亜鉛の混合材を用いた円環状コアである磁性体コア２４とを、内径部および外径部の位置をそれぞれ一致させて同心円状に配置するものとしている。なお、２次コイル２３は、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース内で、磁性体コア２４に占有されていないコイル用のスペースに巻回可能なだけ巻回する構成としている。
【００２９】
以上のシミュレーション環境において、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間の高さ１．４５ｍｍのスペース内に配置された２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを相補的に変化させて、２次コイル２３に誘起される電流値の変化を検証した。具体的には、２次コイル２３の高さｈ１の値と磁性体コア２４の高さｈ２の値を、図５の表で示すように変化させ、各々の条件下で２次コイル２３を流れる電流値をそれぞれ取得していった。その結果、図６に示す結果が得られた。ここで、図６の横軸は、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を示しており、図６の縦軸は２次コイル２３を流れる電流値を示している。また、図６中の太線で示すラインは、２次コイル２３の高さｈ２が１．４５ｍｍ、磁性体コア２４の高さｈ１が０．００ｍｍの条件（図５の表の最下段の条件）、つまり、磁性体コア２４を設けないことを想定して解析したときの２次コイル２３に流れる電流値を示している。
【００３０】
図６に示す結果から、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２を超えると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が大きくなり、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮できることが確認できる。逆に、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２以下であると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が小さくなり、却って電力伝送の効率低下を招いてしまうことが分かる。
【００３１】
（第２実施例）
次に、実際に上述した充電式腕時計２０の試作品を製作して、実機試験により、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）の適正範囲についての検証を行った。この試験では、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨを２．０ｍｍとし、この高さ２．０ｍｍのスペース内に配置された２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを相補的に変化させて、２次コイル２３に誘起される電流値の変化を検証した。具体的には、２次コイル２３の高さｈ１の値と磁性体コア２４の高さｈ２の値を、図７の表で示すように変化させ、各々の条件下で２次コイル２３を流れる電流値をそれぞれ取得していった。なお、電流値の測定は、測定に必要なリード線を外部に引き出した充電式腕時計２０の試作品を図１に示した構成の充電ステーション１０の所定の装着位置にセットし、充電ステーション１０を家庭用ＡＣ１００Ｖの電源に接続したときに２次コイル２３に流れる電流値を測定するという方法で行った。
【００３２】
その結果、図８に示す結果が得られた。ここで、図８の横軸は、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を示しており、図８の縦軸は２次コイル２３を流れる電流値を示している。また、図８中の太線で示すラインは、２次コイル２３の高さｈ２が２．００ｍｍ、磁性体コア２４の高さｈ１が０．００ｍｍの条件（図７の表の最下段の条件）、つまり、磁性体コア２４を設けないことを想定して解析したときの２次コイル２３に流れる電流値を示している。
【００３３】
図８に示す結果から、実機試験においても、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２を超えると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が大きくなっており、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮できることが確認できる。逆に、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２以下であると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が小さくなり、却って電力伝送の効率低下を招いてしまうことが分かる。すなわち、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を有効に発揮させるためには、単純に磁性体コア２４を設けるだけでなく、限られたスペース内における２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率が重要であり、ｈ１／ｈ２が１．２を超えるように構成することで、電力伝送の効率を高めることが可能となることが分かった。
【００３４】
なお、第１実施例のシミュレーションの結果や第２実施例の実機試験の結果からは、ｈ１／ｈ２を大きくするほど２次コイル２３を流れる電流値が増加し、電力伝送の効率が向上していることが確認されるが、磁性体コア２４の高さｈ２が過度に小さくなると、磁性体コア２４が磁気飽和を起こして磁束を吸引できなくなり、また、磁性体コア２４の耐久性が著しく低下することになる。したがって、磁性体コア２４の耐久性を確保し、且つ、磁性体コア２４が磁気飽和を起こさない範囲で、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を大きくすることが望ましい。
【００３５】
（第３実施例）
次に、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２との関係が電力伝送の効率に対してどのように影響を及ぼすかについて、第１実施例と同様のシミュレーション環境を用いて検証を行った。ここでは、２次コイル２３と磁性体コイル２４の幅方向のレイアウトを下記の（１）〜（５）の５つのパタンに定め、それぞれのパタンについて電力伝送の効率に対する影響を各々検証した。図９は、下記（１）〜（５）のパタンの概要を模式に示している。
（１）２次コイル２３の内径側に、コイル幅ｗ１の１／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（２）２次コイル２３の内径側に、コイル幅ｗ１の２／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（３）２次コイル２３の幅方向全域に亘り、コイル幅ｗ１と等しいコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（４）２次コイル２３の外径側に、コイル幅ｗ１の２／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（５）２次コイル２３の外径側に、コイル幅ｗ１の１／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
【００３６】
ここで、２次コイル２３および磁性体コア２４が配置されるボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨは１．４５ｍｍとし、２次コイル２３の高さｈ１は１．１５ｍｍ、磁性体コア２４の高さｈ２は０．３ｍｍとしている。つまり、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）は３．８であり、これは第１実施例のシミュレーション結果で、２次コイル２４の電流値が最も高い値を示した条件である。なお、図９においては、簡単のために２次コイル２３と磁性体コア２４とを同等の高さ（厚み）で図示している。
【００３７】
上記の２次コイル２３と磁性体コイル２４の幅方向レイアウトのパタン（１）〜（５）において、コア幅ｗ２とコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）は、それぞれ図１０の表で示すようになる。なお、ここではコイル幅ｗ１をＲとしている。これらパタン（１）〜（５）の各々の条件下で、１次コイル１４に通電したときに２次コイル２３を流れる電流値をそれぞれ取得していった。その結果、図１１に示す結果が得られた。ここで、図１１の横軸は、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）を示しており、図１１の縦軸は２次コイル２３を流れる電流値を示している。また、図１１中の太線で示すラインは、２次コイル２３の高さｈ１を１．４５ｍｍに設定して磁性体コア２４を設けなかった場合に２次コイル２３に流れる電流値を示しており、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間に２次コイル２３をできるだけ巻回した条件を想定した場合のシミュレーション結果を示している。
【００３８】
図１１に示す結果から、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）に対して、２次コイル２３を流れる電流値が線形に変化しており、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が０．５４を超えると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が大きくなり、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮できることが確認できる。逆に、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が０．５４以下であると、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を最適化したとしても、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が小さくなり、却って電力伝送の効率低下を招いてしまうことが分かる。
【００３９】
なお、図１１においては示されていないが、上記のパタン（１）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値とパタン（５）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値は同等の値となっており、また、パタン（２）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値とパタン（４）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値は同等の値となっている。つまり、磁性体コア２４の幅方向の位置は２次コイル２３の内径側でも外径側でもどちらでもよく、２次コイル２３のコイル幅ｗ１に対して、どの程度のコア幅ｗ２で磁性体コア２４が設けられているかが、電力伝送の効率向上を図る上で重要であることが確認できる。
【００４０】
以上の結果から、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を最適化した上で、さらに、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が０．５４を超えるように構成することで、電力伝送の効率を確実に高められるようになることが分かった。また、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が、１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４の関係を満足するように構成すれば、受電モジュール２１の磁性体コア２４周囲に空隙を形成してその空隙に配線を引き回すことが可能となり、充電式腕時計２０の小型化に寄与することができるとともに、磁性体コア２４の重量低下による軽量化を図ることが可能となる。また、電力伝送の効率向上を重視する場合には、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２とを略等しくする、つまり磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）を１とする(上記のパタン（３）のレイアウト)ことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかる非接触給電装置、受電モジュールおよび携帯型電子機器は、例えば、携帯端末や携帯時計（腕時計）などの携帯型電子機器を充電する用途での利用が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 充電ステーション
１１ 送電モジュール
１３ 磁性体コア
１４ １次コイル
２０ 充電式腕時計
２１ 受電モジュール
２２ ２次電池
２３ ２次コイル
２４ 磁性体コア
２５ 充電回路
３１ ボビン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのコイル間の電磁誘導作用により非接触で電力を供給する非接触給電装置、この非接触給電装置に用いられる受電モジュール、および受電モジュールを備える携帯型電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２つのコイル間の電磁誘導作用により、送電側から受電側へと非接触で電力を供給する非接触給電装置が知られている。非接触給電装置は、１次コイルを有する送電モジュールに対して２次コイルを有する受電モジュールを近づけて１次コイルと２次コイルとを所定の空隙を介して対向させることで、両コイル間の電磁誘導作用により送電モジュールから受電モジュールへと電力を供給するものである。このような非接触給電装置は、近年、様々な産業分野で広く利用されており、特に、電気的接点を外部に露出させる必要がなく、高い防水性を実現できることから、携帯端末や携帯時計（腕時計）などの携帯型電子機器を充電する用途で有用な技術として注目されている。
【０００３】
この種の非接触給電装置では、送電側の１次コイルにより発生した磁束を、いかにして受電側の２次コイルに効率よく伝達するかが、その性能を左右する極めて重要な課題とされている。このような観点から、下記の特許文献１や特許文献２においては、少なくとも受電側の２次コイルの１次コイルとの対向面とは逆側の面上に軟磁性体よりなるコア部材を配設し、１次コイルへの通電により誘起される磁束をこのコア部材により吸引することによって漏れ磁束を低減させて、効率のよい非接触給電を実現するという技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２３１５８６号公報
【特許文献２】特許第３４３２３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば携帯端末や携帯時計などの携帯型電子機器を充電する用途で非接触給電装置を利用する場合、２次コイルを有する受電モジュールが携帯型電子機器に内蔵されることになるが、携帯型電子機器は近年ますます小型化される傾向にあるため、受電モジュールを携帯型電子機器内部の限られたスペースに収めることが求められる場合が多い。したがって、受電モジュールが２次コイルに加えてコア部材を有する構成の場合には、２次コイルとコア材とをこの限られたスペースに配置する必要があり、２次コイルを配置できるスペースとコア部材を配置できるスペースとがトレードオフの関係となる。
【０００６】
このため、１次コイルからの磁束を吸引する機能を高めるべくコア部材のサイズを過度に大きくすると、限られたスペースの大部分をコア部材が占有して２次コイルを配置するスペースが大幅に制限され、巻数低下による２次コイルの電圧低下や磁気結合力の欠損が生じて、コア部材を用いない場合よりも却って効率が低下してしまう場合があった。つまり、２次コイルとコア部材とを限られたスペース内にバランスよく配置しないと、コア部材を設けることによって逆に電力伝送の効率低下を招いてしまうことになる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受電モジュールの２次コイルとコア部材とを限られたスペースにバランスよく配置し、効率のよい電力の伝送を行うことができる非接触給電装置、この非接触給電装置に用いられる受電モジュール、および受電モジュールを備える携帯型電子機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、１次コイルを有する送電モジュールと、２次コイルを有する受電モジュールとを備え、前記１次コイルと前記２次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから前記受電モジュールへと非接触で電力を供給する非接触給電装置において、前記受電モジュールは、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、２次コイルを有し、該２次コイルと送電モジュールの１次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから非接触で電力が供給される受電モジュールにおいて、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる携帯型電子機器は、本発明にかかる受電モジュールと、２次電池と、前記受電モジュールにより受電された電力を前記２次電池に充電する充電回路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、２次コイルとコア部材とを配置するスペース内で２次コイルの高さとコア部材の高さとの割合が最適化されるので、限られたスペースに２次コイルとコア部材とをバランスよく配置して、効率のよい電力の伝送を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、充電システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、充電式腕時計の内部構造を模式的に示した縦断面図である。
【図３】図３は、充電式腕時計に内蔵される受電モジュールの斜視図である。
【図４】図４は、受電モジュールの２次コイルと磁性体コアとの関係を説明する要部拡大断面図である。
【図５】図５は、シミュレーションのパラメータとして用いた２次コイルの高さｈ１と磁性体コアの高さｈ２との関係を一覧表として示す図である。
【図６】図６は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図７】図７は、実機試験のパラメータとして用いた２次コイルの高さｈ１と磁性体コアの高さｈ２との関係を一覧表として示す図である。
【図８】図８は、実機試験の結果を示すグラフ図である。
【図９】図９は、２次コイルと磁性体コアの幅方向のレイアウトについての複数パタンの概要を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、シミュレーションのパラメータとして用いたコイル幅ｗ１とコア幅ｗ２との関係を一覧表として示す図である。
【図１１】図１１は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる非接触給電装置、受電モジュールおよび携帯型電子機器の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下では、携帯型電子機器としての充電式腕時計（携帯時計）を充電する充電システムに本発明を適用した実施形態を例示するが、本発明は、以下で説明する例に限らず、非接触で電力を供給するシステムに対して広く適用可能である。
【００１４】
（充電システム）
まず、充電式腕時計を充電する充電システムの概要について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる充電システムの概略構成を示す模式図である。この充電システムは、送電モジュール１１を有する充電ステーション１０と、受電モジュール２１を有する充電式腕時計２０とで構成され、充電ステーション１０に備えられている電源プラグ１２を家庭用ＡＣ１００Ｖのコンセント（図示せず）に装着し、充電式腕時計２０を充電ステーション１０の所定の装着位置にセットすることで、送電モジュール１１から受電モジュール２１へ非接触給電によって電力供給を行い、充電式腕時計２０内部の２次電池２２を充電するものである。
【００１５】
充電ステーション１０の送電モジュール１１は、例えば、マンガン−亜鉛の混合材質などからなる円柱状の磁性体コア１３と、この磁性体コア１３の周囲に巻回された１次コイル１４とを有している。１次コイル１４の両端は、発振回路１５に接続されている。発振回路１５は、家庭用ＡＣ１００Ｖを所望の電圧に変換する電源回路１６に接続されており、電源プラグ１２が家庭用ＡＣ１００Ｖのコンセントに装着されると、１次コイル１４に交流電流を流す。１次コイル１４に交流電流が通電されると、この交流電流に応じて１次コイル１４が巻回中心軸に沿った方向の交番磁界を発生する。このとき、１次コイル１４の巻回中心に磁性体コア１３が配置されているので、コイル外周側を回り込んで短絡する磁束が低減され、１次コイル１４から発生する交番磁界は、充電式腕時計２０側へと効率よく伝播する。
【００１６】
一方、充電式腕時計２０に内蔵される受電モジュール２１は、充電式腕時計２０が充電ステーション１０の所定の装着位置にセットされたときに充電ステーション１０の１次コイル１４に対して所定の空隙を介して対向するように設けられた２次コイル２３と、この２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面とは逆側の面上に配設された、マンガン−亜鉛の混合材質などからなる磁性体コア２４とを有している。具体的には、２次コイル２３は例えば円形渦巻コイル、磁性体コア２４は例えば２次コイル２３と同心円状に配置された円環状コアとして構成されており、これら２次コイル２３と磁性体コア２４とが一体となってボビン（図１においては図示を省略している）に支持されている。
【００１７】
充電式腕時計２０が充電ステーション１０の所定の装着位置にセットされると、上述したように、受電モジュール２１の２次コイル２３が充電ステーション１０の１次コイル１４に対して所定の空隙を介して対向配置されるため、１次コイル１４から交番磁界が発生されると、２次コイル２３には電磁誘導作用により１次コイル１４からの交番磁界の磁束を打ち消す方向での交流電流が誘起される。このとき、２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面とは逆側の面上に磁性体コア２４が配置されているので、１次コイル１４から発生する交番磁界の磁束は磁性体コア２４により吸引され、漏れ磁束が低減されることで、１次コイル１４から発生する交番磁界が効率よく２次コイル２３の交流電流に変換される。２次コイル２３の両端は充電回路２５に接続されており、２次コイル２３を流れる交流電流は充電回路２５に供給される。充電回路２５は、２次コイル２３からの交流電流を整流、平滑化して充電式腕時計２０内の２次電池２２に供給し、この２次電池２２を充電する。
【００１８】
（充電式腕時計）
次に、充電式腕時計２０の具体的な構造の一例について、図２乃至図４を参照して説明する。図２は、本実施の形態にかかる充電式腕時計２０の内部構造を模式的に示した縦断面図、図３は、充電式腕時計２０に内蔵される受電モジュール２１の斜視図、図４は、受電モジュール２１の２次コイル２３と磁性体コア２４との関係を説明する要部拡大断面図である。この充電式腕時計２０は、図２に示すように、リューズ２６が設けられた胴２７と、裏蓋２８と、風防ガラス２９とからなる時計ケースの内部に、機能モジュール３０、受電モジュール２１、２次電池２２などを収容した構成である。
【００１９】
機能モジュール３０は、文字板、ムーブメント、集積回路搭載回路基板などを含むものである。上述した充電回路２５は、例えば、この機能モジュールの集積回路搭載回路基板上に設けられている。これら機能モジュール３０を構成する各部が必要とする電力は、２次電池２２から供給される。なお、ここでは上記の各部を機能モジュール３０の構成要素として示しているが、これらは必ずしもモジュールとして一体化されている必要はなく、個別の部品として時計ケース内部に設けられていてもよい。
【００２０】
受電モジュール２１は、図３に示すように、２次コイル２３と磁性体コア２４とをボビン３１によって一体に支持した構成である。ボビン３１は、合成樹脂などの非磁性材料よりなり、内部に２次電池２２を収容可能な大きさの円筒部３２の上端および下端に、外周側に張り出す一対のフランジ３３，３４が設けられた形状とされている。そして、このボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに、円形渦巻コイルとして構成された２次コイル２３と、円環状コアとして構成された磁性体コア２４とが同心円状に配置され、一体化されている。すなわち、２次コイル２３はボビン３１の円筒部３２を巻回中心としてその外周側に巻回され、磁性体コア２４は、２次コイル２３が巻回されたボビン３１における一対のフランジ３３，３４間の空きスペースを埋めるように、ボビン３１の円筒部３２の外周側に装着されている。なお、磁性体コア２４は、ボビン３１に装着される前は複数に分割されており、ボビン３１の円筒部３２の外周側に装着された状態で接合されて円環状コアを構成する。
【００２１】
ここで、図４に示すように、２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面に対して垂直な方向（図４中の矢印Ａの方向）を高さ方向とし、２次コイル２３の高さをｈ１、磁性体コア２４の高さをｈ２とすると、２次コイル２３と磁性体コア２４との双方がボビン３１の一対のフランジ３３，３４間の所定スペース（このスペースの高さをＨとする）内に配置されるため、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とはトレードオフの関係となる。つまり、スペース高さＨに対して２次コイル２３の高さｈ１を大きくとると磁性体コア２４の高さｈ２が小さくなり、逆に、磁性体コア２４の高さｈ２を大きくとると２次コイル２３の高さｈ１は小さくなる。なお、ボビン３１の高さ方向の寸法、すなわち、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨは、充電式腕時計２０の時計ケース内部のレイアウトに応じて定められ、充電式腕時計２０の薄型化を実現するためにこの寸法は減少傾向にある。
【００２２】
したがって、１次コイル１４からの磁束を吸引する機能を高めるべく磁性体コア２４の高さｈ２を過度に大きくして磁性体コア２４のボリュームを増大させようとすると、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースの大部分を磁性体コア２４が占有してしまい、２次コイル２３を配置するスペースが大幅に制限されることとなる。その結果、巻数低下による２次コイル２３の電圧低下や磁気結合力の欠損が生じて、磁性体コア２４を用いない場合よりも却って効率の低下を招いてしまう場合がある。すなわち、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮させるためには、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨに対して、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを最適化し、限られたスペース内に２次コイル２３と磁性体コア２４とをバランスよく配置することが重要である。
【００２３】
本件発明者は、以上の知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、後述する第１実施例および第２実施例で説明するように、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とが、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足するように受電モジュール２１を構成することにより、限られたスペースに２次コイル２３と磁性体コア２４とをバランスよく配置して、効率のよい電力の伝送を実現できることを見出すに至った。そこで、本実施の形態にかかる充電式腕時計２０では、受電モジュール２１を構成する２次コイル２３と磁性体コア２４とを、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨに適合させつつ、ｈ１／ｈ２＞１．２の関係を満足するサイズに形成して、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに配置するようにしている。
【００２４】
また、図４に示すように、２次コイル２３の１次コイル１４に対する対向面と平行な方向（図４中の矢印Ｂの方向）を幅方向とし、２次コイル２３の内径部から外径部までの幅（以下、「コイル幅」という。）をｗ１、磁性体コア２４の内径部から外径部までの幅（以下、「コア幅」という。）をｗ２としたときに、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２との関係を最適化することも、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を確実に発揮させる上で重要である。すなわち、２次コイル２３のコイル幅ｗ１に対して磁性体コア２４のコア幅ｗ２が過度に小さいと、磁性体コア２４を設けたことによる電力伝送の効率アップの度合いが、磁性体コア２４を設けたことで２次コイル２３を配置するスペースが制限されることによる効率低下分を超えるまでに至らず、磁性体コア２４を用いない場合よりも却って効率の低下を招いてしまうことになる。
【００２５】
本件発明者は、以上の知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、後述する第３実施例で説明するように、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２とが、１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４の関係を満足するように受電モジュール２１を構成することにより、コイル幅ｗ１とコア幅ｗ２との関係をも最適化して、効率のよい電力の伝送を確実に実現できることを見出すに至った。そこで、本実施の形態にかかる充電式腕時計２０では、受電モジュール２１を構成する２次コイル２３と磁性体コア２４とを、１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４の関係を満足するように形成し、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに配置するようにしている。なお、１＞ｗ２／ｗ１としているのは、空隙となる部分に配線を引き回して小型化を図るレイアウトを想定したものであり、単純に電力伝送の効率だけを考えた場合には、ｗ２／ｗ１＝１とすることが最適である。したがって、受電モジュール２１の周囲に配線を引き回さないレイアウトの場合には、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２とを略等しくすることが望ましい。
【００２６】
（第１実施例）
本件発明者は、所定スペース内での２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率の適正範囲を見出すべく、上述した充電ステーション１０と充電式腕時計２０とをモデル化し、解析シミュレータを用いた数値解析により、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを変化させたときに、２次コイル２３に誘起される電流値がどのように変化するかの検証を行った。
【００２７】
充電ステーション１０側の送電モジュール１１については、磁性体コア１３は材質がマンガン−亜鉛の混合材であることを想定し、比透磁率は１０００付近に設定し、磁気的な飽和は生じないものとしている。また、１次コイル１４は線径φ０．１８ｍｍのマグネットワイヤ２種を５２５回巻回したものを想定している。そして、１次コイル１４にＡＣ１００Ｖの交流電流を通電し、この１次コイル１４への通電により発生した交番磁界の磁束が充電式腕時計２０の裏蓋２８（図２参照）を通過して、時計ケース内部の受電モジュール２１に伝播する構成としている。
【００２８】
一方、充電式腕時計２０については、２次電池２２、裏蓋２８、胴２７、リューズ２６、機能モジュール３０の文字板、ムーブメントなどの磁束に影響を与える金属が存在する、図２に示した構造を前提とし、これらの導電率は、純チタンの使用を想定して、２３８０９５２[１／Ω・ｍ]であるものとしている。また、受電モジュール２１は、ボビン３１の材質が合成樹脂（磁束に影響を与えないためシミュレーション上では特に考慮する必要はない）であるものとし、一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨを１．４５ｍｍに設定している。そして、このボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペースに、線径φ０．０６ｍｍのマグネットワイヤ３種を用いた円形渦巻コイルよりなる２次コイル２３と、マンガン−亜鉛の混合材を用いた円環状コアである磁性体コア２４とを、内径部および外径部の位置をそれぞれ一致させて同心円状に配置するものとしている。なお、２次コイル２３は、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース内で、磁性体コア２４に占有されていないコイル用のスペースに巻回可能なだけ巻回する構成としている。
【００２９】
以上のシミュレーション環境において、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間の高さ１．４５ｍｍのスペース内に配置された２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを相補的に変化させて、２次コイル２３に誘起される電流値の変化を検証した。具体的には、２次コイル２３の高さｈ１の値と磁性体コア２４の高さｈ２の値を、図５の表で示すように変化させ、各々の条件下で２次コイル２３を流れる電流値をそれぞれ取得していった。その結果、図６に示す結果が得られた。ここで、図６の横軸は、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を示しており、図６の縦軸は２次コイル２３を流れる電流値を示している。また、図６中の太線で示すラインは、２次コイル２３の高さｈ２が１．４５ｍｍ、磁性体コア２４の高さｈ１が０．００ｍｍの条件（図５の表の最下段の条件）、つまり、磁性体コア２４を設けないことを想定して解析したときの２次コイル２３に流れる電流値を示している。
【００３０】
図６に示す結果から、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２を超えると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が大きくなり、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮できることが確認できる。逆に、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２以下であると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が小さくなり、却って電力伝送の効率低下を招いてしまうことが分かる。
【００３１】
（第２実施例）
次に、実際に上述した充電式腕時計２０の試作品を製作して、実機試験により、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）の適正範囲についての検証を行った。この試験では、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨを２．０ｍｍとし、この高さ２．０ｍｍのスペース内に配置された２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２とを相補的に変化させて、２次コイル２３に誘起される電流値の変化を検証した。具体的には、２次コイル２３の高さｈ１の値と磁性体コア２４の高さｈ２の値を、図７の表で示すように変化させ、各々の条件下で２次コイル２３を流れる電流値をそれぞれ取得していった。なお、電流値の測定は、測定に必要なリード線を外部に引き出した充電式腕時計２０の試作品を図１に示した構成の充電ステーション１０の所定の装着位置にセットし、充電ステーション１０を家庭用ＡＣ１００Ｖの電源に接続したときに２次コイル２３に流れる電流値を測定するという方法で行った。
【００３２】
その結果、図８に示す結果が得られた。ここで、図８の横軸は、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を示しており、図８の縦軸は２次コイル２３を流れる電流値を示している。また、図８中の太線で示すラインは、２次コイル２３の高さｈ２が２．００ｍｍ、磁性体コア２４の高さｈ１が０．００ｍｍの条件（図７の表の最下段の条件）、つまり、磁性体コア２４を設けないことを想定して解析したときの２次コイル２３に流れる電流値を示している。
【００３３】
図８に示す結果から、実機試験においても、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２を超えると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が大きくなっており、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮できることが確認できる。逆に、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）が１．２以下であると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が小さくなり、却って電力伝送の効率低下を招いてしまうことが分かる。すなわち、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を有効に発揮させるためには、単純に磁性体コア２４を設けるだけでなく、限られたスペース内における２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率が重要であり、ｈ１／ｈ２が１．２を超えるように構成することで、電力伝送の効率を高めることが可能となることが分かった。
【００３４】
なお、第１実施例のシミュレーションの結果や第２実施例の実機試験の結果からは、ｈ１／ｈ２を大きくするほど２次コイル２３を流れる電流値が増加し、電力伝送の効率が向上していることが確認されるが、磁性体コア２４の高さｈ２が過度に小さくなると、磁性体コア２４が磁気飽和を起こして磁束を吸引できなくなり、また、磁性体コア２４の耐久性が著しく低下することになる。したがって、磁性体コア２４の耐久性を確保し、且つ、磁性体コア２４が磁気飽和を起こさない範囲で、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を大きくすることが望ましい。
【００３５】
（第３実施例）
次に、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２との関係が電力伝送の効率に対してどのように影響を及ぼすかについて、第１実施例と同様のシミュレーション環境を用いて検証を行った。ここでは、２次コイル２３と磁性体コイル２４の幅方向のレイアウトを下記の（１）〜（５）の５つのパタンに定め、それぞれのパタンについて電力伝送の効率に対する影響を各々検証した。図９は、下記（１）〜（５）のパタンの概要を模式に示している。
（１）２次コイル２３の内径側に、コイル幅ｗ１の１／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（２）２次コイル２３の内径側に、コイル幅ｗ１の２／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（３）２次コイル２３の幅方向全域に亘り、コイル幅ｗ１と等しいコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（４）２次コイル２３の外径側に、コイル幅ｗ１の２／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
（５）２次コイル２３の外径側に、コイル幅ｗ１の１／３のコア幅ｗ２の磁性体コア２４を配置
【００３６】
ここで、２次コイル２３および磁性体コア２４が配置されるボビン３１の一対のフランジ３３，３４間のスペース高さＨは１．４５ｍｍとし、２次コイル２３の高さｈ１は１．１５ｍｍ、磁性体コア２４の高さｈ２は０．３ｍｍとしている。つまり、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）は３．８であり、これは第１実施例のシミュレーション結果で、２次コイル２４の電流値が最も高い値を示した条件である。なお、図９においては、簡単のために２次コイル２３と磁性体コア２４とを同等の高さ（厚み）で図示している。
【００３７】
上記の２次コイル２３と磁性体コイル２４の幅方向レイアウトのパタン（１）〜（５）において、コア幅ｗ２とコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）は、それぞれ図１０の表で示すようになる。なお、ここではコイル幅ｗ１をＲとしている。これらパタン（１）〜（５）の各々の条件下で、１次コイル１４に通電したときに２次コイル２３を流れる電流値をそれぞれ取得していった。その結果、図１１に示す結果が得られた。ここで、図１１の横軸は、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）を示しており、図１１の縦軸は２次コイル２３を流れる電流値を示している。また、図１１中の太線で示すラインは、２次コイル２３の高さｈ１を１．４５ｍｍに設定して磁性体コア２４を設けなかった場合に２次コイル２３に流れる電流値を示しており、ボビン３１の一対のフランジ３３，３４間に２次コイル２３をできるだけ巻回した条件を想定した場合のシミュレーション結果を示している。
【００３８】
図１１に示す結果から、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）に対して、２次コイル２３を流れる電流値が線形に変化しており、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が０．５４を超えると、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が大きくなり、受電モジュール２１に磁性体コア２４を設けたことによる効果を発揮できることが確認できる。逆に、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が０．５４以下であると、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を最適化したとしても、磁性体コア２４を設けない場合よりも２次コイル２３に流れる電流値が小さくなり、却って電力伝送の効率低下を招いてしまうことが分かる。
【００３９】
なお、図１１においては示されていないが、上記のパタン（１）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値とパタン（５）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値は同等の値となっており、また、パタン（２）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値とパタン（４）のレイアウトの場合に２次コイル２３を流れる電流値は同等の値となっている。つまり、磁性体コア２４の幅方向の位置は２次コイル２３の内径側でも外径側でもどちらでもよく、２次コイル２３のコイル幅ｗ１に対して、どの程度のコア幅ｗ２で磁性体コア２４が設けられているかが、電力伝送の効率向上を図る上で重要であることが確認できる。
【００４０】
以上の結果から、２次コイル２３の高さｈ１と磁性体コア２４の高さｈ２の比率（ｈ１／ｈ２）を最適化した上で、さらに、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が０．５４を超えるように構成することで、電力伝送の効率を確実に高められるようになることが分かった。また、磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）が、１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４の関係を満足するように構成すれば、受電モジュール２１の磁性体コア２４周囲に空隙を形成してその空隙に配線を引き回すことが可能となり、充電式腕時計２０の小型化に寄与することができるとともに、磁性体コア２４の重量低下による軽量化を図ることが可能となる。また、電力伝送の効率向上を重視する場合には、２次コイル２３のコイル幅ｗ１と磁性体コア２４のコア幅ｗ２とを略等しくする、つまり磁性体コア２４のコア幅ｗ２と２次コイル２３のコイル幅ｗ１の比率（ｗ２／ｗ１）を１とする(上記のパタン（３）のレイアウト)ことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかる非接触給電装置、受電モジュールおよび携帯型電子機器は、例えば、携帯端末や携帯時計（腕時計）などの携帯型電子機器を充電する用途での利用が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 充電ステーション
１１ 送電モジュール
１３ 磁性体コア
１４ １次コイル
２０ 充電式腕時計
２１ 受電モジュール
２２ ２次電池
２３ ２次コイル
２４ 磁性体コア
２５ 充電回路
３１ ボビン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次コイルを有する送電モジュールと、２次コイルを有する受電モジュールとを備え、前記１次コイルと前記２次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから前記受電モジュールへと非接触で電力を供給する非接触給電装置において、
前記受電モジュールは、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、
ｈ１／ｈ２＞１．２
の関係を満足することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向とし、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅をｗ１、前記コア部材の内径部から外径部までの幅をｗ２としたときに、
１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４
の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向としたときに、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅と前記コア部材の内径部から外径部までの幅とが略等しくされていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記受電モジュールは、前記２次コイルと前記コア部材とを一体に支持するボビンをさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項５】
２次コイルを有し、該２次コイルと送電モジュールの１次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから非接触で電力が供給される受電モジュールにおいて、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、
ｈ１／ｈ２＞１．２
の関係を満足することを特徴とする受電モジュール。
【請求項６】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向とし、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅をｗ１、前記コア部材の内径部から外径部までの幅をｗ２としたときに、
１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４
の関係を満足することを特徴とする請求項５に記載の受電モジュール。
【請求項７】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向としたときに、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅と前記コア部材の内径部から外径部までの幅とが略等しくされていることを特徴とする請求項５に記載の受電モジュール。
【請求項８】
前記２次コイルと前記コア部材とを一体に支持するボビンをさらに有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の受電モジュール。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一項に記載の受電モジュールと、
２次電池と、
前記受電モジュールにより受電された電力を前記２次電池に充電する充電回路と、を備えることを特徴とする携帯型電子機器。
【請求項１】
１次コイルを有する送電モジュールと、２次コイルを有する受電モジュールとを備え、前記１次コイルと前記２次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから前記受電モジュールへと非接触で電力を供給する非接触給電装置において、
前記受電モジュールは、前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、
ｈ１／ｈ２＞１．２
の関係を満足することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向とし、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅をｗ１、前記コア部材の内径部から外径部までの幅をｗ２としたときに、
１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４
の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向としたときに、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅と前記コア部材の内径部から外径部までの幅とが略等しくされていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記受電モジュールは、前記２次コイルと前記コア部材とを一体に支持するボビンをさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項５】
２次コイルを有し、該２次コイルと送電モジュールの１次コイルとの間の電磁誘導作用により前記送電モジュールから非接触で電力が供給される受電モジュールにおいて、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面とは逆側の面上に配設されたコア部材をさらに有し、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面に対して垂直な方向を高さ方向とし、前記２次コイルの高さをｈ１、前記コア部材の高さをｈ２としたときに、
ｈ１／ｈ２＞１．２
の関係を満足することを特徴とする受電モジュール。
【請求項６】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向とし、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅をｗ１、前記コア部材の内径部から外径部までの幅をｗ２としたときに、
１＞ｗ２／ｗ１＞０．５４
の関係を満足することを特徴とする請求項５に記載の受電モジュール。
【請求項７】
前記２次コイルは円形渦巻コイルであり、前記コア部材は前記２次コイルと同心円状に配置された円環状コアであり、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する対向面と平行な方向を幅方向としたときに、前記２次コイルの内径部から外径部までの幅と前記コア部材の内径部から外径部までの幅とが略等しくされていることを特徴とする請求項５に記載の受電モジュール。
【請求項８】
前記２次コイルと前記コア部材とを一体に支持するボビンをさらに有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の受電モジュール。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一項に記載の受電モジュールと、
２次電池と、
前記受電モジュールにより受電された電力を前記２次電池に充電する充電回路と、を備えることを特徴とする携帯型電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−９６７３７（Ｐ２０１１−９６７３７Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４６９４３（Ｐ２００９−２４６９４３）
【出願日】平成２１年１０月２７日（２００９．１０．２７）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２７日（２００９．１０．２７）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
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