JP6693293B2 - Wireless power receiving device and electronic device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、ワイヤレス受電装置と、これを用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a wireless power receiving device and an electronic device using the wireless power receiving device.
スマートフォン、電気自動車、コードレス家電製品等に、ワイヤレスで給電するシステムが普及しつつある。ワイヤレス給電の中でも、磁界や電界の共鳴を用いた共鳴方式の給電は、送電器と受電器の精密な位置合わせが不要であり、ある程度距離が離れていても高い送電効率が得られることから、実用化が期待されている。 Wireless power supply systems are becoming widespread for smartphones, electric vehicles, cordless home appliances, and the like. Among wireless power feeds, resonance feed using resonance of a magnetic field or an electric field does not require precise alignment between the power transmitter and the power receiver, and high power transmission efficiency can be obtained even if the distance is a certain distance. Practical application is expected.
ワイヤレス受電機能を備えた携帯電話やスマートフォンでは、筐体や背面カバーが樹脂またはプラスチックで形成されていることが多い。樹脂、プラスチック等の非金属の筐体は熱がこもりやすいが、共鳴現象の伝達や磁界の結合に対する影響は少ない。 In mobile phones and smartphones having a wireless power receiving function, the housing and back cover are often made of resin or plastic. A non-metallic case made of resin, plastic, or the like easily retains heat, but has little influence on the transmission of the resonance phenomenon and the coupling of the magnetic field.
他方、金属の筐体やカバーは放熱効果を有するが、共鳴現象や磁化の結合に影響するため、磁性シートが用いられる場合がある。たとえば、近接通信と非接触電力伝送の機能を搭載した通信端末で、近接通信用コイルと配線基板の間、及び電力伝送用コイルと配線基板の間に磁性体シートを配置して、線板の導体パターンとの不要結合を抑制している（たとえば、特許文献１参照）。また、生体植え込み型心臓ペースメーカの金属ケースの外側に高磁性材と受電用コイルをこの順に密着配置する構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。 On the other hand, a metal casing or cover has a heat dissipation effect, but since it affects the resonance phenomenon and the coupling of magnetization, a magnetic sheet may be used. For example, in a communication terminal equipped with the functions of near field communication and non-contact power transmission, a magnetic sheet is placed between the near field communication coil and the wiring board, and between the power transmission coil and the wiring board, and Unnecessary coupling with the conductor pattern is suppressed (for example, see Patent Document 1). Further, there has been proposed a configuration in which a high magnetic material and a power receiving coil are closely arranged in this order on the outer side of a metal case of a bioimplantable cardiac pacemaker (see, for example, Patent Document 2).
スマートフォンのような電子機器に金属製の筐体またはカバーを用いると、金属によって磁界が遮断され、受電効率が低下するおそれがある。受電装置を金属の筐体に収容して電気自動車の底面に配置する場合も、同様に受電効率が低下するおそれがある。 When a metal housing or cover is used for an electronic device such as a smartphone, the magnetic field is blocked by the metal, and the power reception efficiency may be reduced. Similarly, when the power receiving device is housed in a metal casing and arranged on the bottom surface of the electric vehicle, the power receiving efficiency may be reduced.
そこで、受電効率を改善したワイヤレス受電装置とこれを用いた電子機器を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object to provide a wireless power receiving device with improved power receiving efficiency and an electronic device using the wireless power receiving device.
一つの態様では、ワイヤレス受電器は、
主面に、磁界に対して透明な領域を有する金属の筐体と、
前記筐体の内部で主面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、前記主面の面外方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されている。
In one aspect, the wireless power receiver is
A metal housing having a region transparent to the magnetic field on the main surface;
A coil arranged inside the casing on the main surface side to receive electric power by a resonance method;
A magnetic sheet arranged in parallel with the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The coil is arranged at a position that does not overlap a region transparent to the magnetic field in the out- of- plane direction of the main surface .
上記構成により、ワイヤレス受電装置の受電効率を改善することができる。 With the above configuration, the power reception efficiency of the wireless power reception device can be improved.
図１は、実施形態が適用されるワイヤレス給電システム１００の概略図である。図１では、ワイヤレス給電システム１００は電子機器の充電に適用される。ワイヤレス給電システム１００は、充電パッド１０に内蔵されているワイヤレス送電器と、電子機器２０に内蔵されているワイヤレス受電器を含む。この例では、充電パッド１０により、１以上の電子機器２０−１、２０−２に同時にワイヤレス給電が可能である。ワイヤレス給電システム１００が電気自動車の充電に適用される場合は、たとえば、地面に配置されるワイヤレス送電器と、電気自動車の底面近傍に配置されるワイヤレス受電器を含む。ワイヤレス給電システム１００は、共鳴方式で非接触の電力伝送を行う。
FIG. 1 is a schematic diagram of a wireless
図２は、共鳴方式のワイヤレス給電の基本原理を説明する図である。ワイヤレス給電システム１００は、送電ユニット１０１と、受電ユニット１０２を含む。送電ユニット１０１は、高周波電源１１３と送電器１１５を含む。送電器１１５は、一次側のコイルＬ１１と、キャパシタＣ１と、コイルＬ１２を有する。直列接続されたコイルＬ１１とキャパシタＣ１で、一次側のＬＣ共振回路１１１が形成される。図２ではＬＣ共振回路１１１はコイルＬ１２を介して高周波電源１１３に接続されているが、コイルＬ１２を省略して、直接ＬＣ共振回路１１１を高周波電源１１３に接続してもよい。
FIG. 2 is a diagram illustrating the basic principle of resonance-type wireless power feeding. The wireless
受電ユニット１０２は、受電器１２５と負荷１２８を有する。負荷１２８がバッテリーである場合は、受電器１２５と負荷１２８の間に、整流回路１２６とＤＣ−ＤＣコンバータ１２７が直列に挿入される。受電器１２５は、二次側のコイルＬ２１と、キャパシタＣ２と、コイルＬ２２を含む。直列接続されたコイルＬ２１とキャパシタＣ２で、二次側のＬＣ共振回路１２１が形成される。図２では、ＬＣ共振回路１２１はコイルＬ２２を介して負荷１２８（または整流回路１２６）に接続されているが、コイルＬ２２を省略して直接ＬＣ共振回路１２１を負荷１２８（または整流回路１２６）に接続してもよい。
The
コイルＬ１１のインダクタンス、キャパシタＣ１の容量、コイルＬ２１のインダクタンス、及びキャパシタＣ２の容量は、一次側のＬＣ共振回路１１１の共振周波数と二次側のＬＣ共振回路１２１の共振周波数がほぼ等しくなるように設計されている。
The inductance of the coil L11, the capacitance of the capacitor C1, the inductance of the coil L21, and the capacitance of the capacitor C2 are set so that the resonance frequency of the
また、一次側のＬＣ共振回路１１１の共振周波数は、高周波電源１１３からの入力電圧の周波数と同じか近接する値である。高周波電源１１３から供給される交流電力は、電磁誘導によりコイルＬ１２からコイルＬ１１に供給され、一次側で共振電流または共振電圧が発生する。この共振状態は、磁場共鳴により一次側のコイルＬ１１から二次側のコイルＬ２１に伝わり、受電ユニット１０２に非接触で電力が供給される。一次側のコイルＬ１１を「送電コイル」、二次側のコイルＬ２１を「受電コイル」と呼んでもよい。二次側で受信された電力は、電磁誘導によりコイルＬ２２を介して負荷１２８に供給される。負荷１２８がバッテリーの場合は、整流回路１２６で交流電力から直流電力に整流され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２７でバッテリーに適した電圧に変換される。
The resonance frequency of the
図３は、実施形態のワイヤレス受電装置１２０の概略図である。図３（Ａ）は、筐体２１のボトムプレート２１Ｂを内側から見た図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ'断面図である。図３では、ＬＣ共振回路を形成するキャパシタＣ２、整流回路１２６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２７、及びバッテリー１２８は省略されている。
FIG. 3 is a schematic diagram of the wireless
ワイヤレス受電装置１２０は、開口２３が形成された金属の筐体２１内に配置されるコイル２５と、筐体２１の内部でコイル面と平行に配置される磁性シート２６を有する。開口２３は、筐体２１の主面、この例ではボトムプレート２１Ｂに形成されている。実施形態の特徴として、コイル２５はコイル面の面外方向からみたときに開口２３とオーバーラップしない、あるいは開口２３を横切らない位置に配置されている。
The wireless
磁性シート２６は、コイル２５の面内方向では、コイル２５の外形と同じかそれ以上のサイズを有する。コイル２５と開口２３をカバーできていれば十分であり、磁性シート２６を極端に大きくする必要はない。
The
磁性シート２６は、筐体２１とコイル２５の間に配置されてもよいし、図３（Ｂ）の破線で示すように、コイル２５よりも筐体の内部側に配置されてもよい。磁性シート２６の種類は問わず、たとえば高透磁率の軟磁性材料の磁性粉をポリマーに混練したものや、焼結フェライト等を用いてもよい。
The
コイル２５の配置位置は、磁界の共振状態を効率よく受け取る観点から、金属の筐体２１のボトムプレート２１Ｂの外周に沿って配置されるのが望ましい。また、筐体２１の薄型化の観点から、コイル２５とボトムプレート２１Ｂの間の間隔ｄは、少なくともボトムプレート２１Ｂとコイル２５の間に磁性シート２６が挿入できる距離である。
The
図３の構成において、コイル２５を面内方向で筐体２１の開口２３と抵触しない位置に配置し、コイル面と平行に磁性シート２６を配置することにより、ワイヤレス受電装置１２０の受電効率を改善することができる。
In the configuration of FIG. 3, the
図４は、ワイヤレス受電装置１２０が適用される電子機器２０の概略断面図である。図４の断面は、図３（Ａ）のＸ−Ｘ'断面と同じ方向の断面である。電子機器２０は、筐体２１、トップパネル１３０、タッチパネル１５０、表示パネル１６０、基板１７０、コイル２５、及び磁性シート２６を有する。コイル２５と磁性シート２６は、ワイヤレス受電装置１２０で用いられる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of
筐体２１は金属製であり、アルミニウム、アルミニウム合金、その他の比較的軽量な金属で形成されている。筐体２１のボトムプレート２１Ｂに、開口２３が形成されている。開口２３はコイル２５の面外方向からみたときにコイル２５とオーバーラップあるいは抵触しない限り種々の形状をとることができ、また多様な位置に形成され得る。
The
開口２３はその形状と大きさによっては、樹脂、プラスチックなど磁界に対して透明な材料（非磁性絶縁体）で充填されてもよい。この場合、開口内に非磁性絶縁体の領域２９が形成される。
Depending on the shape and size of the
トップパネル１３０は、両面テープ、接着シート等の接着材１３５で筐体２１に固定されており、トップパネル１３０の表面は操作面となっている。電子機器２０のボトムプレート２１Ｂを下側にして置いたときに、積層方向でトップパネルの下にタッチパネル１５０と表示パネル１６０が配置されている。タッチパネル１５０は、トップパネル１３０へのユーザの入力座標を検出するセンサ機能を有する。トップパネル１３０とタッチパネル１５０を一体的に形成して、タッチパネル１５０の表面を操作面としてもよい。表示パネル１６０は、液晶、有機ＥＬ（Electroluminescence）等の表示デバイスである。
The
表示パネル１６０の下に基板１７０が配置されている。基板１７０には、電子機器２０の動作に用いられる種々の回路及び／または電子部品が形成または実装されている。共振用のコイル２５は、基板１７０の配線層の形成工程と同時に基板１７０に形成されてもよい。この場合、コイル２５は基板１７０に内蔵、または形成されたキャパシタとスルーホール等を介して電気的に接続されてＬＣ共振回路１２１を形成してもよい。磁性シート２６は、ボトムプレート２１Ｂと基板１７０の間に挿入されてもよいし、基板１７０と表示パネル１６０の間に挿入されてもよい。
A
あるいは、コイル２５をフレキシブル薄膜基板に形成して、基板１７０の裏面に貼り付けてもよい。この場合は、コイル２５はたとえば基板１７０を貫通する貫通ビアによって基板１７０に形成または内蔵されたキャパシタと電気的に接続されてもよい。磁性シート２６はボトムプレート２１Ｂとフレキシブル薄膜基板の間に挿入されてもよいし、基板１７０と表示パネル１６０の間に挿入されてもよい。
Alternatively, the
コイル２５を基板１７０と独立して配置する場合は、基板１７０の外周に沿って配置されるのが望ましい。磁界共鳴の場合、コイル径が大きいほど高効率で電力伝送が実現される距離が延びるからである。磁性シート２６は、筐体２１のボトムプレート２１Ｂとコイル２５の間に挿入されてもよいし、コイル２５のボトムプレート２１Ｂと反対側の面に配置されてもよい。いずれの場合も、コイル２５を面外方向からみたときに開口２３とオーバーラップまたは抵触しないように配置し、かつ磁性シート２６を用いることで、電子機器２０での受電効率を向上することができる。
When the
以下で、コイル２５と開口２３の関係について、具体例に基づいて説明する。
The relationship between the
図５は、実施例１のコイル２５と開口２３ａの配置関係を示す。図５は、筐体２１のボトムプレート２１Ｂを筐体の内側から平面視した図であり、開口２３ａは破線で示されている。実施例１では、コイル２５の内側の中央に矩形の開口２３ａを配置している。
FIG. 5 shows the positional relationship between the
図６は、図５の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。コイル２５と開口２３ａの位置関係を変えずに、(a)磁性シート２６を用いない構成、(b)磁性シート２６をコイル２５と筐体（ケース）のボトムプレート２１Ｂの間に配置する構成、(c)磁性シート２６をコイル２５よりも内側（たとえば表示パネル側）に配置する構成、で受電効率を計算する。ここで、受電効率とは二次側の受電コイル（コイル２５）から出力される電力の、一次側の送電コイル（Ｌ１１）に入力される電力に対する比をいう。この比の値が大きいほど、受電効率は高くなる。
FIG. 6 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. Without changing the positional relationship between the
シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１３３×６０［ｍｍ］を４巻
負荷コイル：１３３×６０［ｍｍ］を１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８［ｍｍ］、板厚１ｍｍ
開口サイズ：３０×３０［ｍｍ］
受電コイルと筐体の隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５［ｍｍ］、透磁率５００Ｈ／ｍ
伝送距離：１２ｍｍ
送電コイルは、図２のコイルＬ１１に相当し、Ａ４ＷＰ規格のクラス３に準拠するコイルである。受電コイルは、図５のコイル２５に相当し、ｘｙ面で矩形に巻かれたコイルである。負荷コイルは、図２で負荷に接続されるコイルＬ２２または負荷そのものに相当し受電コイルと同じ形状、同じサイズで１巻にしたものを用いる。受電コイルと負荷コイルは二層に配置される。
The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 133 x 60 [mm] 4 rolls Load coil: 133 x 60 [mm] 1 roll Enclosure size: 145 x 72 x 8 [mm], plate thickness 1 mm
Aperture size: 30 x 30 [mm]
Gap between power receiving coil and housing: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], magnetic permeability 500H / m
Transmission distance: 12mm
The power transmission coil corresponds to the coil L11 in FIG. 2 and is a coil conforming to the Class 3 of the A4WP standard. The power receiving coil corresponds to the
筺体は、受電コイル及び負荷コイルを収容できるサイズであり、ｘｙ面内でのサイズが１４５ｍｍ×７２ｍｍ、高さは８ｍｍ、ボトムプレート２１Ｂの板厚は１ｍｍである。受電コイルと筐体のボトムプレートの間の隙間は図３（Ｂ）の間隔ｄに相当し、ここでは１ｍｍとしている。磁性シートの平面サイズは受電コイルの外形とほぼ同じであり、厚さは０．５ｍｍ、透磁率は５００Ｈ／ｍである。伝送距離は、ここでは送電コイルと受電コイルの間の距離を指している。
The housing has a size capable of accommodating the power receiving coil and the load coil, the size in the xy plane is 145 mm × 72 mm, the height is 8 mm, and the thickness of the
この条件でシミュレーションを行ったところ、磁性シート２６を用いない場合は、受電効率は低い。これに対し、受電コイルと筐体の間、または受電コイルよりも筐体の内側（たとえば受電コイルと表示パネルの間）に磁性シート２６を配置することで、受電効率が大幅に改善される。
When a simulation is performed under this condition, the power receiving efficiency is low when the
図７は、実施例２のコイル２５と開口２３ｂの配置関係を示す。図７は、筐体２１のボトムプレート２１Ｂを筐体の内側から平面視した図であり、開口２３ｂは破線で示されている。実施例２では、コイル２５の内側で、ｙ方向の端部寄りに矩形の開口２３ｂを配置している。開口２３ｂの大きさは、実施例１の開口２３ａよりも小さい。
FIG. 7 shows the positional relationship between the
図８は、図７の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。実施例１と同様に、コイル２５と開口２３ｂの位置関係を変えずに、(a)磁性シート２６を用いない構成、(b)磁性シート２６をコイル２５と筐体（ケース）のボトムプレート２１Ｂの間に配置する構成、(c)磁性シート２６をコイル２５よりも内側（表示パネル側）に配置する構成、で受電効率を計算する。
FIG. 8 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. Similar to the first embodiment, (a) the
シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１３３×６０ｍｍを４巻
負荷コイル：１３３×６０ｍｍを１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８ｍｍ、板厚１ｍｍ
開口サイズ：１０×１０ｍｍ
受電コイルと筐体の隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５ｍｍ、透磁率５００Ｈ／ｍ
伝送距離：１２ｍｍ
このシミュレーション条件は、開口２３ｂの位置と大きさを除いて、実施例１と同じである。シミュレーションの結果、磁性シート２６を用いない場合、受電効率は実施例１よりもさらに低い。これに対し、受電コイルと筐体の間、または受電コイルよりも筐体の内側（たとえば受電コイルと表示パネルの間）に磁性シート２６を配置することで、受電効率は０．７５まで改善される。実施例１と比べて受電効率が若干低くなるのは、主として開口２３ａと開口２３ｂのサイズの違いによるものと推測される。しかし、開口２３ａからのサイズの減少（１／９）にもかかわらず開口２３ｂの受電効率の低下は小さく、コイル２５の外形と同等以上の大きさの磁性シート２６を用いることで、受電効率を高く維持できることがわかる。
The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 133 x 60 mm 4 rolls Load coil: 133 x 60 mm 1 roll Enclosure size: 145 x 72 x 8 mm, plate thickness 1 mm
Aperture size: 10 x 10 mm
Gap between power receiving coil and housing: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5mm, permeability 500H / m
Transmission distance: 12mm
This simulation condition is the same as that of the first embodiment except the position and size of the
図９は、実施例３のコイル２５と開口２３ｃの配置関係を示す。図９は、筐体２１のボトムプレート２１Ｂを筐体の内側から平面視した図であり、開口２３ｃは破線で示されている。実施例３では、コイル２５の内側で、ｙ方向に沿って、５つの開口２３ｃを配置している。各開口２３ｃ、実施例２の開口２３ｂをｙ方向に５分割した大きさと形状を有する。
FIG. 9 shows the positional relationship between the
図１０は、図９の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。比較として、図７（実施例２）の構成でのシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１３３×６０［ｍｍ］を４巻
負荷コイル：１３３×６０［ｍｍ］を１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８［ｍｍ］、板厚１ｍｍ
開口サイズ：１０×２［ｍｍ］が５つ
受電コイルと筐体プレートの隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５［ｍｍ］、透磁率５００Ｈ／ｍ、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離：１２ｍｍ
このシミュレーション条件は、開口２３ｃの数（または配置）と大きさを除いて、実施例１及び２と同じである。なお、磁性シート２６はコイル２５とボトムプレート２１Ｂの間に挿入されている。
FIG. 10 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. As a comparison, a simulation result in the configuration of FIG. 7 (Example 2) is shown. The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 133 x 60 [mm] 4 rolls Load coil: 133 x 60 [mm] 1 roll Enclosure size: 145 x 72 x 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 5 x 10 x 2 [mm] Gap between power receiving coil and housing plate: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], magnetic permeability 500H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12mm
The simulation conditions are the same as those in Examples 1 and 2 except the number (or arrangement) and size of the
このシミュレーション結果から、開口２３ｂを分割することで受電効率が向上することがわかる。シミュレーションでは、受電効率は０．８まで改善されている。これは、各開口２３ｃから磁性シート２６に集中する共振磁界が効率よく受電側のコイル２５に伝わるためと考えられる。
From this simulation result, it is understood that the power reception efficiency is improved by dividing the
図１１は、実施例４のコイル２５と開口２３ｃの配置関係を示す図である。実施例４では、実施例３の５分割された開口２３ｃの位置及び向きを様々に変えている。各開口２３ｃのサイズは、実施例３と同様に１０ｍｍ×２ｍｍである。
FIG. 11 is a diagram showing a positional relationship between the
配置（Ａ）は図９（実施例３）と同じであり、５つの開口２３ｃがコイル２５の内側でｙ方向に一列に配置されている。配置（Ｂ）は、ひとつの開口２３ｃをボトムプレート２１Ｂの中央に配置し、他の４つの開口２３ｃの向きを９０°回転させてコイル２５の内側でコイルの長辺に沿って配置している。配置（Ｃ）は、５つの開口２３ｃを同じ向き（開口２３ｃの長軸がｘ方向と平行）で互い違いに配置している。配置（Ｄ）は、ひとつの開口２３ｃをボトムプレート２１Ｂの中央に配置し、他の４つの開口２３ｃを中央の開口２３ｃを囲むように斜めに配置している。配置（Ａ）〜（Ｄ）で、磁性シート２６はコイル２５とボトムプレート２１Ｂの間に配置されている。
The arrangement (A) is the same as that in FIG. 9 (Example 3), and the five
図１２は、図１１の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は実施例３と同じである。配置（Ａ）〜（Ｄ）のすべてにおいて高い受電効率が得られている。配置（Ａ）の受電効率は実施例３と同様に０．８であり、配置（Ｂ）〜（Ｄ）の受電効率はいずれも０．７７である。開口２３ｃをコイル２５とオーバーラップしないように配置し、コイル２５の外形と同じ大きさの磁性シート２６をコイル面と平行に配置することによって、分割された開口２３ｃの位置や向きに依らずに、高い受電効率が得られることがわかる。
FIG. 12 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. The specifications of the simulation are the same as in the third embodiment. High power reception efficiency is obtained in all of the arrangements (A) to (D). The power receiving efficiency of the arrangement (A) is 0.8 as in the third embodiment, and the power receiving efficiency of the arrangements (B) to (D) is 0.77. By arranging the
図１３は、実施例５のコイル２５と開口２３ｃの配置関係を示す。実施例５でも、実施例３の５分割された開口２３ｃを用いるが、いくつかの開口２３ｃをコイル２５の外側に配置している。
FIG. 13 shows the positional relationship between the
図１３（Ａ）では、ひとつの開口２３ｃをコイル２５の内側の中央に配置し、他の４つの開口２３ｃをコイル２５の外側でコイル２５の長辺に沿って配置している。図１３（Ｂ）では、コイル２５の内側に開口２３ｃを配置せずに、合計４つの開口２３ｃをコイル２５の外側でコイル２５の長辺に沿って配置している。図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）の双方で磁性シート２６はコイル２５とボトムプレート２１Ｂの間に挿入されている。
In FIG. 13A, one
図１４は、図１３の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１３３×５０［ｍｍ］を４巻
負荷コイル：１３３×５０［ｍｍ］を１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８［ｍｍ］、板厚１ｍｍ
開口サイズ：１０×２［ｍｍ］が４つ、及び１０×２［ｍｍ］が５つ
受電コイルと筐体の隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５［ｍｍ］、透磁率５００Ｈ／ｍ、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離：１２ｍｍ
このシミュレーション条件は、コイル２５のサイズと開口２３の数を除いて、実施例３及び実施例４と同じである。開口２３ｃをコイル２５の外側に配置することに伴って、コイル２５のサイズを実施例１〜４よりも小さくしている。開口２３ｃは、コイル２５の外側に配置される場合も、コイル２５とオーバーラップせず、またはコイル２５を横切らない。
FIG. 14 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 133 x 50 [mm] 4 rolls Load coil: 133 x 50 [mm] 1 roll Housing size: 145 x 72 x 8 [mm], plate thickness 1 mm
Aperture size: 4 x 10 x 2 [mm] and 5 x 10 x 2 [mm] Gap between power receiving coil and housing: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], magnetic permeability 500H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12mm
The simulation conditions are the same as those in the third and fourth embodiments except the size of the
図１４に示すとおり、コイル２５の内側に分割された開口２３ｃがひとつ設けられている構成では、０．６８という受電効率が達成される。これに対し、コイル２５の内側に開口が存在せず、かつ、コイル２５の外側に分割された開口２３ｃがいくつかは位置されている構成では、受電効率は０．１４と低い。
As shown in FIG. 14, in the configuration in which one divided
図１４のシミュレーション結果から、開口はコイル２５の内部に配置されるのが望ましいことがわかる。
From the simulation result of FIG. 14, it can be seen that it is desirable that the opening is arranged inside the
図１５は、実施例６のコイル２５と開口２３の配置関係を示す。実施例６では、異なる形状の開口２３ｄを用いる。図１５（Ａ）の開口２３ｂは、図７の実施例２と同じ形状の開口２３ｂである。図１５（Ｂ）の開口２３ｄは円形の開口であり、開口面積は図７の開口２３ｂの面積とほぼ等価である。開口２３ｂと開口２３ｄの配置位置は同じである。
FIG. 15 shows the positional relationship between the
図１６は、図１５の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１３３×６０［ｍｍ］を４巻
負荷コイル：１３３×６０［ｍｍ］を１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８［ｍｍ］、板厚１ｍｍ
開口サイズ：直径１１ｍｍ
受電コイルと筐体プレートの隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５［ｍｍ］、透磁率５００Ｈ／ｍ、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離：１２ｍｍ
このシミュレーション条件は、開口２３ｄを直径１１ｍｍの円としたことを除いて、実施例２と同じである。図１５（Ａ）と図１５（Ｂ）の双方で、磁性シート２６はコイル２６とボトムプレート２１Ｂの間に配置されている。
FIG. 16 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. The specifications of the simulation are as follows.
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 133 x 60 [mm] 4 rolls Load coil: 133 x 60 [mm] 1 roll Enclosure size: 145 x 72 x 8 [mm], plate thickness 1 mm
Aperture size: Diameter 11 mm
Gap between power receiving coil and housing plate: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], magnetic permeability 500H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12mm
This simulation condition is the same as that of the second embodiment except that the
図１６からわかるように、いずれの構成でも同程度の高い受電効率が達成されている。実施例１（図５）と実施例２（図７）の結果も考え合わせると、ワイヤレス受電装置１２０の受電効率は、筐体２１の開口２３の形状に依存しないが、開口２３の面積に依存するといえる。
As can be seen from FIG. 16, the high power reception efficiency of the same degree is achieved in any of the configurations. Considering the results of Example 1 (FIG. 5) and Example 2 (FIG. 7), the power receiving efficiency of the wireless
図１７は、実施例７のコイル２５と開口２３ｅの配置関係を示す。実施例７では、開口２３ｅは複数のスリットとして形成される。この具体例では、１０ｍｍ×０．２ｍｍのスリットが５０個形成されており、開口２３ｅのトータルの面積は実施例２（図５）の開口２３ｂの面積と同じになる。
FIG. 17 shows the positional relationship between the
図１８は、図１７のＸ−Ｘ'断面図である。複数のスリット２３ｅが形成された筐体２１の内部に、コイル２５が配置されている。この例では、コイル２５と筐体２１のボトムプレート２１Ｂとの間隔ｄは１ｍｍである。コイル２５は、コイル２５の面内方向でスリット２３ｅとオーバラップしない、あるいはスリット２３ｅを横切らない位置に配置されている。コイル２５と筐体２１のボトムプレート２１Ｂの間、または、破線で示すようにコイル２５よりも筐体の内部側に、磁性シート２６が配置される。
FIG. 18 is a sectional view taken along line XX ′ of FIG. The
図１９は、図１７の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、コイル２５と開口２３ｅの位置関係を変えずに、(a)磁性シート２６を用いない構成、(b)磁性シート２６をコイル２５と筐体２１のボトムプレート２１Ｂの間に配置する構成、(c)磁性シート２６をコイル２５よりも内側（たとえば表示パネル側）に配置する構成で受電効率を計算する。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１３３×６０［ｍｍ］を４巻
負荷コイル：１３３×６０［ｍｍ］を１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８［ｍｍ］、板厚１ｍｍ
開口サイズ：１０×０．２［ｍｍ］が５０個
受電コイルと筐体プレートの隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５［ｍｍ］、透磁率５００Ｈ／ｍ、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離：１２ｍｍ
図１９からわかるように、磁性シート２６を用いない場合は受電効率は非常に低いが、筐体２１内でコイル面と平行に磁性シートを配置することで、受電効率が大幅に向上することがわかる。実施例７のように開口２３をスリット２３ｅで形成する場合は、スリット２３ｅの存在は筐体２１の外形デザインにほとんど影響しない。そのため、スリット２３ｅ内を筐体２１と似た質感、色の非磁性絶縁材料で埋め込む必要はない。
FIG. 19 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. In the simulation, (a) the configuration without using the
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 133 x 60 [mm] 4 rolls Load coil: 133 x 60 [mm] 1 roll Enclosure size: 145 x 72 x 8 [mm], plate thickness 1 mm
Aperture size: 50 x 10 mm x 0.2 [mm] Gap between power receiving coil and housing plate: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], magnetic permeability 500H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12mm
As can be seen from FIG. 19, the power receiving efficiency is very low when the
図１７では、スリット２３ｅをすべてｘ方向に配置したが、ｙ方向に配置しても同様の受電効率が得られると予測される。また、スリット２３ｅを筐体２１の中心を取り囲むように斜めに配置すると（図１７の配置（Ｄ）参照）、受電効率はさらに向上すると予測される。金属の筐体２１に形成されたスリット２３ｅの隙間はわずかでも、磁性シート２６に共鳴磁界を集中させることで、コイル２５の受電効率が改善される。
In FIG. 17, all the
図２０は、実施例８のコイル２５と開口２３ｆの配置関係を示す。実施例８では、開口２３ｆは筐体２１のｘ方向に延びる細長い開口であり、コイル２５の外側に配置される。開口２３ｆが筐体２１のボトムプレート２１Ｂのｙ方向の両端に配置されることにともなって、コイル２５のｙ方向のサイズは実施例１〜７よりも低減され、コイル２５が開口２３ｆとオーバーラップまたは抵触しないように配置されている。磁性シート２６は、ｙ方向でコイル２５の外形よりも大きく形成され、開口２３ｆをカバーしている。
FIG. 20 shows the positional relationship between the
図２１は、図２０の配置での受電効率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、コイル２５と開口２３ｆの位置関係を変えずに、(a)磁性シート２６を用いない構成、(b)磁性シート２６をコイル２５と筐体２１のボトムプレート２１Ｂの間に配置する構成、(c)磁性シート２６をコイル２５よりも内側（表示パネル側）に配置する構成、で受電効率を計算する。シミュレーションの諸元は以下のとおりである。
送電コイル：Ａ４ＷＰ class 3
受電コイル：１１０×６０［ｍｍ］を４巻
負荷コイル：１１０×６０［ｍｍ］を１巻
筺体サイズ：１４５×７２×８［ｍｍ］、板厚１ｍｍ
開口サイズ：６８×１．５［ｍｍ］が２個
受電コイルと筐体プレートの隙間：１ｍｍ
磁性シート：１３３×６０×０．５［ｍｍ］、透磁率５００Ｈ／ｍ、コイルとボトムプレートの間に配置
伝送距離：１２ｍｍ
図２１からわかるように、磁性シート２６を用いない場合は受電効率は低いが、コイル２５と筐体２１のボトムプレート２１Ｂの間に磁性シート２６を挿入することで、０．８２という高い受電効率が得られる。これは面積の大きな開口２３ｆからの共鳴磁界を磁性シート２６が受けて受電コイルへ導くためと考えられる。開口２３ｆの長さをコイル２５に沿ってさらに伸ばすと、受電効率はさらに改善されると予測される。デザイン性の観点からは、電子機器のケースに大きな開口２３ｆがあるのは美観が損なわれるおそれもあるが、その場合は、開口２３ｆ内を、金属の筐体２１と質感及び色が似ている非磁性の絶縁材料で充填すればよい。
FIG. 21 shows a simulation result of power reception efficiency in the arrangement of FIG. In the simulation, (a) the
Power transmission coil: A4WP class 3
Power receiving coil: 110 x 60 [mm] 4 rolls Load coil: 110 x 60 [mm] 1 roll Enclosure size: 145 x 72 x 8 [mm], plate thickness 1 mm
Opening size: 68 x 1.5 [mm] 2 pieces Gap between power receiving coil and housing plate: 1 mm
Magnetic sheet: 133 × 60 × 0.5 [mm], magnetic permeability 500H / m, arranged between coil and bottom plate Transmission distance: 12mm
As can be seen from FIG. 21, the power receiving efficiency is low when the
これに対し、磁性シート２６をコイル２５よりも筐体２１の内側（たとえば表示パネル側）に配置すると、受電効率はゼロに近くなる。磁性シート２６がコイル２５よりも筐体２１の内側に配置される場合は、金属の筐体２１の影響の方が強くなって、磁界の共振状態が効率的に受電コイルに導かれないためと考えられる。
On the other hand, when the
なお、実際の製品に適用される場合は、開口２３ｆは樹脂、プラスチック等の磁界に対して透明な材料で充填されていてもよい。
When applied to an actual product, the
実施例１〜９のシミュレーション結果から、ワイヤレス受電装置１２０が金属の筐体に収容される場合に、
(i)受電コイルを金属の筐体に形成された開口と抵触しないように配置し、
(ii)受電コイルの外形をカバーする磁性シートをコイル面と平行に配置する、
ことで、共鳴方式のワイヤレス給電での受電効率が大幅に改善される。
From the simulation results of Examples 1 to 9, when the wireless
(i) Arrange the power receiving coil so that it does not interfere with the opening formed in the metal casing,
(ii) A magnetic sheet that covers the outer shape of the power receiving coil is arranged parallel to the coil surface,
As a result, the power reception efficiency of the resonance type wireless power supply is significantly improved.
実施例１〜９では、ワイヤレス受電装置１２０が電子機器に適用される態様を例にとって説明したが、ワイヤレス受電装置１２０は、ペースメーカ、モータ駆動ユニット、ハブスイッチなど金属の筐体を用いる任意の場面に適用できる。
In Embodiments 1 to 9, the wireless
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
主面に、磁界に対して透明な領域を有する金属の筐体と、
前記筐体の内部で主面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、前記主面の面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とするワイヤレス受電装置。
（付記２）
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された開口であり、
前記開口は前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記３）
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された複数の開口であり、
前記複数の開口の少なくともひとつが前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記４）
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された複数のスリットであり、
前記複数のスリットは前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記５）
前記磁界に対して透明な領域は、前記主面に形成された開口であり、
前記開口は前記コイルの外側に配置され、
前記磁性シートは前記主面と前記コイルの間に配置されて前記コイルと前記開口を覆っていることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記６）
前記開口は非磁性絶縁材料で充填されていることを特徴とする付記４，５または７に記載のワイヤレス受電装置。
(付記７)
前記磁性シートは前記主面と前記コイルの間に配置されていることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記８）
前記磁性シートは、前記コイルよりも前記筐体の内側に配置されていることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記９）
前記磁性シートは、前記コイルの外形以上の大きさであることを特徴とする付記１に記載のワイヤレス受電装置。
（付記１０）
操作面と反対側の背面に磁界に対して透明な領域を有する金属の筐体と、
前記筐体の内部に配置される電子部品と、
前記筐体の内部で背面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、面内方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とする電子機器。
（付記１１）
前記コイルは、前記筐体の外周に沿って配置される矩形のコイルであることを特徴とする付記１０に記載の電子機器。
（付記１２）
前記コイルは、前記電子部品が搭載される基板に形成されていることを特徴とする付記１０または１１に記載の電子機器。
The following notes are presented with respect to the above description.
(Appendix 1)
A metal housing having a region transparent to the magnetic field on the main surface;
A coil arranged inside the casing on the main surface side to receive electric power by a resonance method;
A magnetic sheet arranged in parallel with the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The wireless power receiving device, wherein the coil is arranged at a position that does not overlap a region transparent to the magnetic field in the in-plane direction of the main surface.
(Appendix 2)
The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the opening is arranged inside the coil.
(Appendix 3)
The region transparent to the magnetic field is a plurality of openings formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein at least one of the plurality of openings is arranged inside the coil.
(Appendix 4)
The region transparent to the magnetic field is a plurality of slits formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the plurality of slits are arranged inside the coil.
(Appendix 5)
The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The opening is located outside the coil,
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the magnetic sheet is disposed between the main surface and the coil and covers the coil and the opening.
(Appendix 6)
The wireless power receiving device according to
(Appendix 7)
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the magnetic sheet is disposed between the main surface and the coil.
(Appendix 8)
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the magnetic sheet is arranged inside the housing with respect to the coil.
(Appendix 9)
The wireless power receiving device according to appendix 1, wherein the magnetic sheet has a size larger than an outer shape of the coil.
(Appendix 10)
A metal housing having a region transparent to the magnetic field on the back surface opposite to the operation surface,
An electronic component arranged inside the housing,
A coil arranged inside the housing on the back side to receive electric power in a resonance manner;
A magnetic sheet arranged in parallel with the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The said coil is arrange | positioned in the position which does not overlap with the area | region transparent with respect to the said magnetic field in an in-plane direction, The electronic device characterized by the above-mentioned.
(Appendix 11)
11. The electronic device according to
(Appendix 12)
The electronic device according to
２０ 電子機器
２１ 筐体
２１Ｂ ボトムプレート
２３、２３ａ〜２３ｆ 開口
２５ コイル
２６ 磁性シート
１００ ワイヤレス給電システム
１０１ 送電ユニット
１０２ 受電ユニット
１２０ ワイヤレス受電装置
Ｌ１１ コイル（一次側の送電コイル）
Ｌ１２ コイル
Ｌ２１ コイル（二次側の受電コイル）
Ｌ２２ コイル
Ｃ１、Ｃ２ キャパシタ
１１１ ＬＣ共振回路（一次側）
１２１ ＬＣ共振回路（二次側）
20
L12 coil L21 coil (power receiving coil on the secondary side)
L22 coil C1,
121 LC resonance circuit (secondary side)
Claims (7)
前記筐体の内部で主面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、前記主面の面外方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とするワイヤレス受電装置。 A metal housing having a region transparent to the magnetic field on the main surface;
A coil arranged inside the casing on the main surface side to receive electric power by a resonance method;
A magnetic sheet arranged in parallel with the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The wireless power receiving device, wherein the coil is arranged at a position that does not overlap a region transparent to the magnetic field in an out- of- plane direction of the main surface .
前記開口は前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to claim 1, wherein the opening is arranged inside the coil.
前記複数の開口の少なくともひとつが前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is a plurality of openings formed in the main surface,
The wireless power receiving apparatus according to claim 1, wherein at least one of the plurality of openings is arranged inside the coil.
前記複数のスリットは前記コイルの内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is a plurality of slits formed in the main surface,
The wireless power receiving device according to claim 1, wherein the plurality of slits are arranged inside the coil.
前記開口は前記コイルの外側に配置され、
前記磁性シートは前記主面と前記コイルの間に配置されて前記コイルと前記開口を覆っていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。 The region transparent to the magnetic field is an opening formed in the main surface,
The opening is located outside the coil,
The wireless power receiving device according to claim 1, wherein the magnetic sheet is disposed between the main surface and the coil and covers the coil and the opening.
前記筐体の内部に配置される電子部品と、
前記筐体の内部で背面側に配置されて共鳴方式で電力を受け取るコイルと、
前記筐体の内部で前記コイルのコイル面と平行に配置される磁性シートと、
を有し、
前記コイルは、面外方向で前記磁界に対して透明な領域とオーバーラップしない位置に配置されていることを特徴とする電子機器。 A metal housing having a region transparent to the magnetic field on the back surface opposite to the operation surface,
An electronic component arranged inside the housing,
A coil arranged inside the housing on the back side to receive electric power in a resonance manner;
A magnetic sheet arranged in parallel with the coil surface of the coil inside the housing;
Have
The said coil is arrange | positioned in the position which does not overlap with the area | region transparent to the said magnetic field in the out -of- plane direction, The electronic device characterized by the above-mentioned.
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