JP2008205215A

JP2008205215A - 積層コイルユニット並びにそれを用いた電子機器及び充電器

Info

Publication number: JP2008205215A
Application number: JP2007039888A
Authority: JP
Inventors: Minoru Hasegawa; 稔長谷川; Masaaki Kuroda; 真朗黒田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】多層接続されたコイルの両端を外部に接続するための電極の取り出しを工夫して無接点電力伝送の伝送面をフラットにし、伝送効率を向上できる積層コイルユニット並びにそれを用いた電子機器及び充電器の提供。
【解決手段】無接点電力伝送のための一次側コイル及び二次側コイルの少なくとも一方に用いられる積層コイルユニットは、複数個の平面状空芯コイルを有し、その各々が絶縁基板上に形成された渦巻状の導電パターンから構成されて、絶縁基板の厚さ方向にて積層される。複数個の平面状空芯コイルは、各２個同士を接続することで形成されるコイル両端部を有する。このコイル両端部が接続される第１及び第２の電極パターンが、一次側コイル及び二次側コイルのいずれか他方と対向する伝送面とは逆側の非伝送面側の最端層に位置する絶縁基板の露出面に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層コイルユニット並びにそれを用いた電子機器及び充電器に関する。

多層基板のパターンでコイルを製造する場合、各層間の接続方法によっては、ビルドアップ基板を用い、ブラインドビアでコイル間の接続を行なっていた（特許文献１）。このため、コストアップとなっていた。リジット基板とスルーホールを用いてコイルを作成する場合、スルーホールとパターンのレイアウトが煩雑になってしまう。さらに、コイルの中心部にスルーホールを多く設けなければならず、コイルの特性の悪化にもつながってしまう。

また、フラットコイルとして、絶縁基板の同一面内に二重スパイラルのコイルを形成して短絡検査を容易にするもの（特許文献２）や、その二重スパイラルコイルを異なる層に形成して、各層のコイル同士を直列または並列に接続したものがある（特許文献３）。

上述した特許文献１〜３に開示されたフラットコイルでは、複数のコイルをその厚さ方向に積層した際に、多層接続されたコイルの両端からの電極の取り出しに工夫がなく、積層コイルの片面を実質的にフラットにすることが困難であった。

なお、同一面内に形成した二重スパイラルのコイルは相互インダクタンスを確保できず、無接点電力伝送に用いるコイルとしてトータルインダクタンスを確保することができない。
特開２０００−２０８３２７号公報特開平１０−１９９７２７号公報特開２００１−１８５４１９号公報

そこで、本発明の目的とするところは、多層接続されたコイルの両端を外部に接続するための電極の取り出しを工夫して、無接点電力伝送の伝送面をフラットにし、伝送効率を向上できる積層コイルユニット並びにそれを用いた電子機器及び充電器を提供することにある。

本発明の一態様は、無接点電力伝送のための一次側コイル及び二次側コイルの少なくとも一方に用いられる積層コイルユニットであって、
複数個の平面状空芯コイルを有し、
前記複数個の平面状空芯コイルの各々は、絶縁基板上に形成された渦巻状の導電パターンから構成されて、前記絶縁基板の厚さ方向にて積層され、
前記複数個の平面状空芯コイルは、前記複数個の平面状空芯コイルの各２個同士を接続することで形成されるコイル両端部を有し、
前記コイル両端部が接続される第１及び第２の電極パターンが、前記一次側コイル及び二次側コイルのいずれか他方と対向する伝送面とは逆側の非伝送面側の最端層に位置する前記絶縁基板の露出面に形成されていることを特徴とする。

こうすると、他の露出面にはコイル両端の取出し電極を設ける必要がなく、他の露出面を実質的にフラットにすることができる。この他の露出面を、無接点電力伝送の伝送面に配置すると、一次・二次コイルを近接配置することができ、伝送効率が向上する。また、本発明の一態様によれば、Ｎ個の平面状空芯コイル各導電パターンが重なることで、コイル間の相互インダクタンスを増加させることができ、無接点電力伝送に必要なトータルインダクタンスを確保できる。

本発明の一態様では、前記複数個の平面状空芯コイルの各２個の内端同士を接続するために、前記絶縁基板を貫通して形成された第１のスルーホールと、
前記複数個の平面状空芯コイルの各２個の外端同士を接続するために、前記絶縁基板を貫通して形成された第２のスルーホールと、
前記コイル両端部の一端を、前記第１及び第２の電極パターンの一方に接続するために、前記絶縁基板を貫通して形成された第３のスルーホールと、
を有することができる。

こうして、異なる絶縁基板にそれぞれ形成された複数の平面状空芯コイルを、直列及び／または並列にて接続することができる。

本発明の一態様では、前記複数個の平面状空芯コイルは、それぞれ異なる絶縁基板に形成されてもよい。あるいは、複数個の平面状空芯コイルが前記平面状空芯コイルの数よりも少ない数の絶縁基板に形成されてもよい。後者の場合、少なくとも一枚の絶縁基板の両面に、２個の平面状空芯コイルが一つずつ形成されればよい。こうすると、絶縁基板の数を削減でき、より薄型化が図れる。

本発明の一態様では、前記第１、第２、第３のスルーホールを、前記複数個の平面状空芯コイルが形成された全ての絶縁基板に貫通形成することができる。こうすると、一部のスルーホールはダミーとなるが、積層コイルユニットを安価に形成できる。

本発明の一態様では、前記絶縁基板をフレキシブル基板とすることができる。これにより、積層コイルユニットをより薄型化できる。

本発明の一態様では、前記非伝送面側の最端層に位置する絶縁基板の前記露出面であって、該絶縁基板に形成された前記平面状空芯コイルを覆う位置に磁性体シートを積層することができる。こうすると、トータルインダクタンスや、コイルのQ値がさらに向上する。

本発明の他の態様は、上述した積層コイルユニットを前記二次側コイルとして含み、充電器に設けられる前記一次側コイルとの間で無接点電力伝送する電子機器を定義している。

本発明のさらに他の態様は、上述した積層コイルユニットを前記一次側コイルとして含み、電子機器に設けられる前記二次側コイルとの間で無接点電力伝送する充電器を定義している。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．第１の実施形態
１．１．充電システム
図１は、充電器１０と、この充電器１０に電子機器例えば携帯電話機２０とを模式的に示す図である。充電器１０から携帯電話機２０への充電は、充電器１０のコイルユニット１２の一次側コイルと、その充電器１０に横置きされる携帯電話機２０のコイルユニット２２の二次側コイルとの間に生じる電磁誘導作用を利用し、無接点電力伝送により行われる。

１．２．積層コイルユニットの構造
図２は、コイルユニット１２または２２に好適な薄型でかつ伝送面が面一となる積層コイルユニット３０の分解斜視図である。なお、充電器１０と比較して、携帯電話機２０に搭載されるコイルユニット１２はより薄型が要求されるので、図２に示す積層コイルユニット３０は、コイルユニット１２に特に好適である。ここで、コイルユニット１２，２２の伝送面とは、図１に示すようにコイルユニット１２，２２が対向配置された際の対向面をいう。充電器１０のコイルユニット１２では伝送面より電力が伝送され、電子機器２０のコイルユニット２２では伝送面より電力が伝送される。

図２では、Ｎ（第１の実施形態ではＮは４以上の偶数で、例えばＮ＝４）個の平面状空芯コイル４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄを有する。４個の平面状空芯コイル４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄは、例えばＮ＝４枚の絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ上に形成された渦巻状の導電パターン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄから構成されている。

本実施形態では、Ｎ＝４個の平面状空芯コイル４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄが、厚さ方向にて積層されるＮ＝４枚の絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃに形成されている。ただし、（Ｎ−１）＝３枚の絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃを用いても良い。この場合、中央の絶縁基板５０Ｂの両面に、平面状空芯コイル４０Ｂ，４０Ｃを形成すれば良い。このように、２個の平面状空芯コイル４０Ｂ，４０Ｃを絶縁基板５０Ｂの両面に形成することで、別個の絶縁基板の片面に形成した場合と比較して、積層コイルユニット３０の厚さを、絶縁基板一枚分だけ薄く形成できる。

図３は、携帯電話機２０の筐体２４に、二次側コイルユニットとして積層コイルユニット３０を配置した部分拡大断面図である。ただし、図３は、図２とは異なり、中央の絶縁基板５０Ｂの両面に平面状空芯コイル４０Ｂ，４０Ｃを形成して、（Ｎ−１）＝３枚の絶縁基板を用いた例である。図３では、破線は、図示しない充電器１０の一次側コイルユニット１２から発生する磁力線である。積層コイルユニット３０のうち、この磁力線により無接点で電力伝送を受ける最端面を伝送面７０と称する。図３の例では、絶縁基板５０Ｃの導電パターン６０Ｄが形成された面（モジュール面）が伝送面７０となる。換言すれば、モジュール面が伝送面７０と面一となる。なお、図２の構造の場合には、絶縁基板５０Ｄの非パターン面が伝送面７０と面一となる。

積層コイルユニット３０のうち、この伝送面７０とは逆側の最端面を非伝送面７２と称する。なお、図３には、積層コイルユニット３０の非伝送面７２に磁性体シート７４を配置している。この磁性体シート７４は必須ではないが、後述する通り、磁性体シート７４を設けることで積層コイルユニット３０のトータルインダクタンスを大きく確保できるなどの利点がある。また、図示していないが、磁性体シート７４を覆って磁気シールドシートをさらに追加しても良い。特に、図３のように携帯電話機２０等の電子機器に積層コイルユニット３０を配置する場合、電子機器内の他の金属に渦電流を生じさせる磁束漏れを防止できる。

図２に示すように、４枚の絶縁基板５０Ａ〜５０Ｄのうち、非伝送面７２側の最端層に位置する絶縁基板５０Ａの非伝送面７２側の片面５２Ａに、平面状空芯コイル４０Ａを形成するための導電パターン６０Ａが形成されている。

さらに、この絶縁基板５０Ａの非伝送面７２側の片面５２Ａに、第１の電極パターン５５Ａ及び第２の電極パターン５６Ａが形成されている。なお、この第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａを除いて、導電パターン６０Ａを絶縁被覆することができる。

同様に、２，３枚目の絶縁基板５０Ｂ，５０Ｃの各片面５２Ｂ，５２Ｃに、平面状空芯コイル４０Ｂ，４０Ｃが形成されている。そして、４枚の絶縁基板のうち、伝送面７０側の最端層に位置する絶縁基板５０Ｄの片面５２Ｄに、平面状空芯コイル４０Ｄが形成されている。

１．３．積層コイルユニットの接続形態（２組の並列コイルを直列接続）
図４は図２に示す積層コイルユニット３０の接続形態を示し、図５はその等価回路図である。図４に示すように、４つの平面状コイルユニット４０Ａ〜４０Ｄの内端は共通接続されている。図２で説明すると、３枚の絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄの各コイル内端に対応する同一位置に、それぞれ絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄを貫通する第１のスルーホール５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄが形成されている。これら第１のスルーホール５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄが導通することで、４つの平面状コイルユニット４０Ａ〜４０Ｄの内端は共通接続されている。ただし、絶縁基板５０Ｄに形成されたスルーホール５７Ｄはコイル間接続に寄与しないダミーのスルーホールとなる。

一方、平面状空芯コイル４０Ａ，４０Ｂの各外端同士は、絶縁基板５０Ａ，５０Ｂに形成された第２のスルーホール５８Ａ，５８Ｂを介して接続されている。この第２のスルーホール５８Ａは、絶縁基板５０Ａ上の導電パターンを介して第１の電極パターン５５Ａに接続されている。なお、絶縁基板５０Ａに形成された第２のスルーホール５８Ａと対応する位置にて、絶縁基板５０Ｃ，５０Ｄにも第２のスルーホール５８Ｃ，５８Ｄが形成されているが、これらは何れのパターンにも接続されないダミーのスルーホールであり、コイル間の接続には寄与しない。ただし、４枚の絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄの同一箇所に第２のスルーホール５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄを形成することで、スルーホール付き多層積層基板を安価に製造できる。

他方、平面状空芯コイル４０Ｃ，４０Ｄの各外端同士は、絶縁基板５０Ｃ，５０Ｄに形成された第３のスルーホール５９Ｃ，５９Ｄを介して接続されている。この第３のスルーホール５９Ｃは、絶縁基板５０Ａ，５０Ｂに形成された第３のスルーホール５９Ａ，５９Ｂと、絶縁基板５０Ａ上の導電パターンとを介して、第２の電極パターン５６Ａに接続されている。なお、絶縁基板５０Ｄに形成されたスルーホール５９Ｄは、コイル間接続に寄与しないダミーのスルーホールである。

このように接続すると、第１の実施形態の積層コイルユニット３０は、Ｎ＝４個のうちの２個の平面状空芯コイル４０Ａ，４０Ｂを並列（広義には直列及び並列の一方である第１の接続形態）接続した１組のコイル接続ユニット８０（図４，図５参照）と、Ｎ＝４個のうちの他の２個の平面状空芯コイル４０Ｃ，４０Ｄを並列（広義には第１の接続形態）接続した他の１組のコイル接続ユニット８２（図４，図５参照）とを含んでいる。つまり、積層コイルユニット３０は、（Ｎ／２）＝２個のコイル接続ユニット８０，８２を含んでいる。この２個のコイル接続ユニット８０，８２は、第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａ間にて、直列（広義には直列及び並列の他方である第２の接続形態）接続されている。

なお、本実施形態では、絶縁基板５０Ａ〜５０Ｄは四層のフレキシブル印刷回路基板（ＦＰＣ）にて形成されている。これに限らず、剛体の絶縁基板を用いても良いが、積層コイルユニット３０を薄く形成できる点で、ＦＰＣの利用が好ましい。

１．４．積層コイルユニットの作用・効果
（１）コイルの特性を示すＱ
積層コイルユニット３０の第１の利点は、トータルインダクタンスを大きくし、トータル抵抗を小さく維持し、かつ、このコイルを含んで構成されるコイルの特性を表わすＱ（Quality factor）が向上する点である。Ｑは、コイルの特性あらわす量であり、値が大きいほど好ましい。

積層コイルユニット３０のトータルインダクタンスをＬとし、トータル抵抗をＲとし、回路のキャパシタンスをＣとすると、Ｑ＝（Ｌ／Ｃ）^１／２／Ｒとなる。

ここで、積層コイルユニット３０では、平面状空芯コイル４０Ａ，４０Ｂの外端から内端に向かう電流方向Ａ１，Ａ２と、平面状空芯コイル４０Ｃ，４０Ｄの内端から外端に向かう電流方向Ａ３，Ａ４は、図２中にて反時計方向で全て一致する。さらに、４つの平面状空芯コイル４０Ａ〜４０Ｄの各導電パターン６０Ａ〜６０Ｄは、内端及び外端形状を除いて一致させることで、コイル間の相互インダクタンスを増加させることができる。

ところで、積層コイルユニット３０に対する第１の比較例として、４つのコイル４０Ａ〜４０Ｄを直列接続したコイルユニット（図９〜図１１に示す第３の実施形態参照）と、第２の比較例として４つのコイル４０Ａ〜４０Ｄを並列接続したコイルユニット（図１２〜図１４に三層並列コイルを第４の実施形態として示す）を想定する。ただし、これらコイルユニットを構成するコイルの線幅やターン数等の形状は、第１の実施形態と同一であるとする。積層コイルユニット３０も、第３，第４の実施形態も、共に４つのコイルを積層しているため、コイル自体のインダクタンスに加えて相互インダクタンスを確保できるので、単層コイルや、同一面内に形成した二重スパイラルコイルに比べて、トータルインダクタンスは増大する点で好ましい。特に、本実施形態のように、Ｎ＝４とすることで、積層による相互インダクタンスの増大効果は大きい。もちろん、Ｎは４以上の偶数として積層コイルユニット３０を構成することができ、Ｎが大きければトータルインダクタンスは大きくなる。

さらに、積層コイルユニット３０は、第３，第４の実施形態と対比して、Ｑを大きくし易い利点がある。つまり、直列接続のみで構成した第１の比較例（第３の実施形態）は、３つの中でトータルインダクタンスＬは最大となるが、抵抗Ｒも最大となる。よって、Ｑ＝（Ｌ／Ｃ）^１／２／Ｒの分母も分子も大きくなり、Ｑを大きくすることが困難である。一方、並列接続のみで構成した第２の比較例（第４の実施形態）は、３つの中でトータルインダクタンスＬが最小となるが、抵抗Ｒも最小となる。よって、Ｑ＝（Ｌ／Ｃ）^１／２／Ｒの分母も分子も小さくなり、Ｑを大きくすることが困難である。

これに対して、本実施形態の積層コイルユニット３０は、直列接続を含んでいる分、トータルインダクタンスを増大できると共に、並列接続を含んでいる分、トータル抵抗Ｒの増大を抑えることができる。従って、Ｑ＝（Ｌ／Ｃ）^１／２／Ｒの分母は小さく分子は大きくなり、Ｑを大きくすることが容易となるのである。もし、本実施形態に係る積層コイルユニット３０と同等の特性を確保するのであれば、第１，第２の比較例でのコイルの線幅やターン数の変更やその組み合わせを、試行錯誤で検証して設計する必要がある。

（２）薄型化
本実施形態の積層コイルユニット３０は、絶縁基板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄを例えばＦＰＣのように薄く形成すれば、導体パターン６０Ａ〜６０Ｄの各厚さは０．０３５ｍｍと極薄に形成できる。よって、渦巻状に形成したコイル線を４層積層したものと対比すれば、積層コイルユニット３０の厚さ寸法の改善効果はかなり大きい。薄型化に関しては、図３に示すように、Ｎ＝４個の平面状空芯コイルを（Ｎ−１）＝３枚の絶縁基板に形成するとさらに良い。なお、Ｎの数が多くなれば、基板両面にコイルを形成できる基板数も増やすことができるので、Ｎ個のコイルを製造するのに（Ｎ−２）枚以下の基板を用いることができる。

特に、図３に示すように、積層コイルユニット３０を電子機器に搭載する場合には、電子機器内にて積層コイルユニット３０が占めるスペースを縮小でき、電子機器の小型化を維持できる。

（３）電力伝送効率の向上
図３において、積層コイルユニット３０の伝送面７０は実質的にフラットとすることができる。なぜなら、絶縁基板５０Ｃ上に突出する導電パターン６０Ｄの厚さは０．０３５ｍｍであるからである。なお、図２に示すようにＮ＝４枚の絶縁基板を用いる場合には、伝送面７０は非パターン面とすることができ、伝送面７０をフラットにできる。

加えて、積層コイルユニット３０の伝送面７０には、第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａや、部品は実装されないので、積層コイルユニット３０の伝送面７０をフラットに維持できる。換言すれば、本実施形態では、積層コイルユニット３０の非伝送面７２に第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａを設けているので、半田付けや実装部品の搭載は非伝送面７２側のみで行えば良い。

なお、図２に示す第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａは、配線をハンダ付けするための形状である。これに代えて、積層コイルユニット３０の非伝送面７２が部品実装面となる場合には、第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａは、積層コイルユニット３０の２つの電極を部品実装面に導通させるためのパターンとして形成すれば良く、線幅を広げる必要はない。つまり、第１，第２の電極パターン５５Ａ，５６Ａは、積層コイルユニット３０の２つの端子を取り出すパターンとして機能するものであれば良い。

積層コイルユニット３０の伝送面７０が実質的にフラットであると、図３に示すようにその伝送面７０を電子機器２０の筐体２４の内壁に密接することができる。こうして、一次・二次コイル間のギャップを、例えば数ｍｍ以内に設定することで、無接点電力伝送の効率を向上させることができる。

電力伝送効率の向上の他の理由として、４つの平面状空芯コイル４０Ａ〜４０Ｄの各空芯領域には、第１のスルーホール５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄ以外のパターンは形成しなくて済む。しかも、第１のスルーホール５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄは、４枚の絶縁基板５０Ａ〜５０Ｄの平面上で同一位置にて貫通するように一つ設けるだけでよい。

後述する他の接続形態では、第１のスルーホールは絶縁基板の平面上で同一位置にて貫通するように形成できず、複数個所となる。よって、本実施形態は、空芯領域に存在する導体パターン面積が最小となる。空芯領域は図３に示す磁力線の密度が最も高い領域であり、導体パターンの存在による磁力線への悪影響を最小限にとどめることができる。

２．第２の実施形態（２組の直列コイルを並列接続）
図６〜図８は、本発明の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態の積層コイルユニット１００は、Ｎ＝４個のうちの２個の平面状空芯コイル１１０Ａ，１１０Ｂを直列（広義には直列及び並列の一方である第１の接続形態）接続した１組のコイル接続ユニット１５０（図７，図８参照）と、Ｎ＝４個のうちの他の２個の平面状空芯コイル１１０Ｃ，１１０Ｄを直列（広義には第１の接続形態）接続した他の１組のコイル接続ユニット１５２（図７，図８参照）とを含んでいる。つまり、積層コイルユニット１００は、（Ｎ／２）＝２個のコイル接続ユニット１５０，１５２を含んでいる。この２個のコイル接続ユニット１５０，１５２は、並列（広義には直列及び並列の他方である第２の接続形態）接続されている。

この第２の実施形態でも、図６に示すように、Ｎ＝４枚の絶縁基板１２０Ａ〜１２０Ｄに４つの平面状空芯コイル１１０Ａ〜１１０Ｄを形成するための渦巻状導電パターン１３０Ａ〜１３０Ｄが設けられている。これに代えて、（Ｎ−１）＝３枚の絶縁基板１２０Ａ〜１２０Ｃを用い、中央の絶縁基板１２０Ｂの両面に平面状空芯コイル１１０Ｂ，１１０Ｃが設けられてもよい。

この第２の実施形態でも、図６に示すように、非伝送面７２側の最端層に位置する絶縁基板１２０Ａの露出面に、（Ｎ／２）＝２組のコイル接続ユニット１５０，１５２のコイル両端部が接続される第１，第２の電極パターン１５６Ａ，１５７Ａが形成されている。

そして、２組のコイル接続ユニット１５０，１５２を図８のように並列接続し、かつ、そのコイル両端部を第１，第２の電極パターン１５６Ａ，１５７Ａに接続するための２箇所で貫通する２つの第１のスルーホール（１５２Ａ，１５２Ｂ，１５２Ｃ，１５２Ｄ），（１５３Ａ，１５３Ｂ，１５３Ｃ，１５３Ｄ）が、４枚の絶縁基板１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０Ｄに貫通形成されている。なお、図７に示すように、平面状空芯コイル１１０Ａ，１１０Ｂの内端同士はスルーホール１５２Ａ，１５２Ｂを介して接続され、他のスルーホール１５２Ｃ，１５２Ｄはダミーのスルーホールである。また、平面状空芯コイル１１０Ｃ，１１０Ｄの内端同士はスルーホール１５３Ｃ，１５３Ｄを介して接続され、他のスルーホール１５３Ａ，１５３Ｂはダミーのスルーホールである。

また、第１，第２の電極パターン１５６Ａ，１５７Ａを有する絶縁基板１２０Ａに形成された一つの平面状空芯コイル１１０Ａ及びそれに並列接続される他の平面状空芯コイル１１０Ｃの各外端を接続するために、４枚の絶縁基板１２０Ａ〜１２０Ｄを貫通する第２のスルーホール（１５４Ａ，１５４Ｂ，１５４Ｃ，１５４Ｄ）が設けられている。ここで、平面状空芯コイル１１０Ａ，１１０Ｃの外端同士はスルーホール１５４Ａ，１５４Ｂ，１５４Ｃを介して、第１の電極パターン１５６Ａに接続されている。他のスルーホール１５４Ｄはダミーのスルーホールである。

平面状空芯コイル１１０Ｂ及びそれに並列接続される平面状空芯コイル１１０Ｄの各外端を接続するために、４枚の絶縁基板１２０Ａ〜１２０Ｄを貫通する第３のスルーホール（１５５Ａ，１５５Ｂ，１５５Ｃ，１５５Ｄ）が設けられている。なお、平面状空芯コイル１１０Ｂ，１１０Ｄの外端同士はスルーホール１５４Ａ〜１５５Ｄを介してを介して、第２の電極パターン１５７Ａに接続されている。

ここで、図６に示すように、積層コイルユニット１００では、平面状空芯コイル１１０Ａ，１１０Ｃの外端から内端に向かう電流方向Ｂ１，Ｂ３と、平面状空芯コイル１１０Ｂ，１１０Ｄの内端から外端に向かう電流方向Ｂ２，Ｂ４は、図６中にて反時計方向で全て一致する。さらに、４つの平面状空芯コイル１１０Ａ〜１１０Ｄの各導電パターン１３０Ａ〜１３０Ｄは、内端及び外端形状を除いて一致させることで、コイル間の相互インダクタンスを増加させることができる。

第２の実施形態においても、第１の実施形態と同じく、４つの平面状空芯コイルを直列接続及び並列接続しているので、コイルのQ値は第１の実施形態と同じとなり、コイルのQ値を改善できる。また、積層コイルユニット１００は第１の実施形態と同様に薄型化が可能である。なお、伝送効率に関して言えば、第１，第２の電極パターン１５６Ａ，１５７Ａを非伝送面に形成することで、伝送面をフラットにできる点で第１の実施形態と同じ効果が得られる。ただし、第２の実施形態では、コイルの内端同士を接続するための第１のスルーホール（１５２Ａ，１５２Ｂ，１５２Ｃ，１５２Ｄ），（１５３Ａ，１５３Ｂ，１５３Ｃ，１５３Ｄ）は２箇所に必要となる点で、空芯領域にスルーホールの数が増える。ただし、２箇所に形成される第１のスルーホールを空芯領域の中心からずれた位置に設定することで、磁束への悪影響を低減できる。

３．第３の実施形態（４つのコイルの直列接続）
図９〜図１１は、第３の実施形態を示している。この第３の実施形態に係る積層コイルユニット２００は、Ｎ＝４個のうちの２個の平面状空芯コイル２１０Ａ，２１０Ｂを直列接続した１組のコイル接続ユニット２５０（図１１参照）と、Ｎ＝４個のうちの他の２個の平面状空芯コイル２１０Ｃ，２１０Ｄを直列した他の１組のコイル接続ユニット２５２（図１１参照）とを含んでいる。この２個のコイル接続ユニット２５０，２５２が直列接続されることで、４つの平面状空芯コイル２１０Ａ〜２１０Ｄが直列接続されている。

この第３の実施形態でも、図９に示すように、Ｎ＝４枚の絶縁基板２２０Ａ〜２２０Ｄに４つの平面状空芯コイル２１０Ａ〜２１０Ｄを形成するための渦巻状導電パターン２３０Ａ〜２３０Ｄが設けられている。これに代えて、（Ｎ−１）＝３枚の絶縁基板２２０Ａ〜２２０Ｃを用い、中央の絶縁基板２２０Ｂの両面に平面状空芯コイル２１０Ｂ，２１０Ｃが設けられてもよい。

この第３の実施形態でも、図９に示すように、非伝送面７２側の最端層に位置する絶縁基板２２０Ａの露出面に、（Ｎ／２）＝２組のコイル接続ユニット２５０，２５２のコイル両端部が接続される第１，第２の電極パターン２５６Ａ，２５７Ａが形成されている。

そして、２組のコイル接続ユニット２５０，２５２を図１１のように並列接続し、かつ、そのコイル両端部を第１，第２の電極パターン２５６Ａ，２５７Ａに接続するための２箇所で貫通する２つの第１のスルーホール（２５２Ａ，２５２Ｂ，２５２Ｃ，２５２Ｄ），（２５３Ａ，２５３Ｂ，２５３Ｃ，２５３Ｄ）が、４枚の絶縁基板２２０Ａ，２２０Ｂ２２０Ｃ，２２０Ｄに貫通形成されている。なお、図１０に示すように、平面状空芯コイル２１０Ａ，２１０Ｂの内端同士はスルーホール２５２Ａ，２５２Ｂを介して接続され、他のスルーホール２５２Ｃ，２５２Ｄはダミーのスルーホールである。また、平面状空芯コイル２１０Ｃ，２１０Ｄの内端同士はスルーホール２５３Ｃ，２５３Ｄを介して接続され、他のスルーホール２５３Ａ，２５３Ｂはダミーのスルーホールである。

また、平面状空芯コイル２１０Ｂ及び平面状空芯コイル２１０Ｃの各外端を接続するために、４枚の絶縁基板２２０Ａ〜２２０Ｄを貫通する第２のスルーホール（２５４Ａ，２５４Ｂ，２５４Ｃ，２５４Ｄ）が設けられている。ここで、平面状空芯コイル２１０Ｂ，２１０Ｃの外端同士はスルーホール２５４Ｂ，２５４Ｃを介して接続され、他のスルーホール２５４Ａ，２５４Ｄはダミーのスルーホールである。

平面状空芯コイル２１０Ｄの外端を第２の電極パターン２５７Ａに接続するために、第３のスルーホール（２５５Ａ，２５５Ｂ，２５５Ｃ，２５５Ｄ）が設けられている。

ここで、図９に示すように、積層コイルユニット２００では、平面状空芯コイル２１０Ａ，２１０Ｃの外端から内端に向かう電流方向Ｃ１，Ｃ３と、平面状空芯コイル２１０Ｂ，２１０Ｄの内端から外端に向かう電流方向Ｃ２，Ｃ４は、図９中にて反時計方向で全て一致する。さらに、４つの平面状空芯コイル２１０Ａ〜２１０Ｄの各導電パターン２３０Ａ〜２３０Ｄは、内端及び外端形状を除いて一致させることで、コイル間の相互インダクタンスを増加させることができる。

ただし、第３の実施形態では、第１，第２の実施形態とは異なり、４つの平面状空芯コイルを全て直列接続しているので、インダクタンスＬも抵抗Ｒも大きくなり、コイルのQ値は改善されない。ただし、積層コイルユニット２００は第１，第２の実施形態と同様に薄型化が可能である。なお、伝送効率に関して言えば、第１，第２の電極パターン２５６Ａ，２５７Ａを非伝送面に形成することで、伝送面をフラットにできる点で第１，第２の実施形態と同じ効果が得られる。ただし、第３の実施形態では第２の実施形態と同じく、コイルの内端同士を接続するための第１のスルーホール（２５２Ａ，２５２Ｂ，２５２Ｃ，２５２Ｄ），（２５３Ａ，２５３Ｂ，２５３Ｃ，２５３Ｄ）は２箇所に必要となる点で、空芯領域にスルーホールの数が増える。ただし、２箇所に形成される第１のスルーホールを空芯領域の中心からずれた位置に設定することで、磁束への悪影響を低減できる。

４．第４の実施形態（３つのコイルの並列接続）
図１２〜図１４は、第４の実施形態を示している。この第４の実施形態に係る積層コイルユニット３００は、３個の平面状空芯コイル３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃを並列接続したものである。

この第４の実施形態では、図１２に示すように、３枚の絶縁基板３２０Ａ〜３２０Ｃに３つの平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃを形成するための渦巻状導電パターン３３０Ａ〜３３０Ｃが設けられ、他の一枚の絶縁基板３２０Ｄは配線専用パターンとして用いている。これに代えて、３枚の絶縁基板３２０Ａ〜３２０Ｃを用い、中央の絶縁基板２２０Ｂの両面に平面状空芯コイル２１０Ｂ，２１０Ｃが設けられ、絶縁基板３２０Ｃを配線専用基板として用いてもよい。

この第４の実施形態でも、図１２に示すように、非伝送面７２側の最端層に位置する絶縁基板３２０Ａの露出面に、並列接続された３つの平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃのコイル両端部が接続される第１，第２の電極パターン３５６Ａ，３５７Ａが形成されている。

そして、３つの平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃを並列接続し、かつ、そのコイル両端部を第１，第２の電極パターン３５６Ａ，３５７Ａに接続するための第１のスルーホール（３５２Ａ，３５２Ｂ，３５２Ｃ，３５２Ｄ）が、４枚の絶縁基板３２０Ａ，２０Ｂ３２０Ｃ，２０Ｄに貫通形成されている。なお、図１３に示すように、３つの平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃの内端同士はスルーホール３５２Ａ，３５２Ｂ，３５２Ｃを介して接続され、他のスルーホール３５２Ｄと、絶縁基板３２０Ｄに形成された配線パターン３５３Ｄを介して、後述するスルーホール３５５Ｄに接続されている。

また、３つの平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃの各外端は、４枚の絶縁基板３２０Ａ〜３２０Ｄを貫通する第２のスルーホール（３５４Ａ，３５４Ｂ，３５４Ｃ，３５４Ｄ）を介して互いに接続されている。ここで、スルーホール３５４Ｄはダミーのスルーホールである。

平面状空芯コイル２１０Ｃの内端を第２の電極パターン３５７Ａに接続するために、第３のスルーホール（３５５Ａ，３５５Ｂ，３５５Ｃ，３５５Ｄ）が設けられている。絶縁基板３２０Ｄに形成されたスルーホール３５５Ｄは、絶縁基板３２０Ｄに形成された配線パターン３５３Ｄ及びスルーホール３５２Ｃ，３５２Ｄを介して、平面状空芯コイル３１０Ｃの内端に接続されている。

ここで、図１２に示すように、積層コイルユニット３００では、平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃの外端から内端に向かう電流方向Ｄ１〜Ｄ３は、図１２中にて反時計方向で全て一致する。さらに、３つの平面状空芯コイル３１０Ａ〜３１０Ｃの各導電パターン３３０Ａ〜３３０Ｃは、内端及び外端形状を除いて一致させることで、コイル間の相互インダクタンスを増加させることができる。

第４の実施形態では、第１，第２の実施形態とは異なり、３つの平面状空芯コイルを全て並列接続しているので、インダクタンスＬも抵抗Ｒも小さくなり、コイルのQ値は改善されない。薄型化に関して言えば、配線パターン３５３Ｄを形成するための配線専用基板が必要となる分、第１，第２の実施形態及び第３の実施形態に対して劣っている。なお、伝送効率に関して言えば、第１，第２の電極パターン３５６Ａ，３５７Ａを非伝送面に形成することで、伝送面をフラットにできる点で第１，第２の実施形態及び第３の実施形態と同じ効果が得られる。また、第４の実施形態では第１の実施形態と同じく、コイルの内端同士を接続するための第１のスルーホール（３５２Ａ，３５２Ｂ，３５２Ｃ，３５２Ｄ）を１箇所に貫通形成すればよい点で、空芯領域にスルーホールの数が増えることはない。

５．電気的特性の対比
図１５は、第１，第３及び第４の実施形態について、コイル形状を種々設定して測定したトータルインダクタンスＬ、トータル抵抗Ｒ及び特性Ｑの測定値を示している。ＮＯ．１〜ＮＯ．９が第４の実施形態を、ＮＯ．１０〜ＮＯ．１８が第３の実施形態を、ＮＯ．１９〜ＮＯ．２４が第１の実施形態を示している。

共通条件として、コイルの外形とパターン間のギャップを一定にし、かつ、導体厚（パターン厚）を例えば０．０３５ｍｍとした。変更条件は、導体幅（パターン幅）、片側ターン数と、接続形態（第１，第３，第４の実施形態）及び磁性体シート７４（図２参照）の有無である。なお、導体厚については、０．００３５ｍｍに限らず、他の数値を用いることができる。

図１５から、磁性体シート７４を設けることで、トータルインダクタンスが大きくなり、コイルのQ値も改善されていることが分かる。

また、上述した理由から、第１の実施形態であるＮＯ．１９〜ＮＯ．２４では、導体幅Ｗや片側ターン数を第３，第４の実施形態ほど極端に変更しなくても、コイルのQ値が向上していることが分かる。

なお、第２の実施形態については未測定であるが、第１の実施形態とほぼ同じ結果が得られると期待できる。

第３の実施形態であるＮＯ．１０〜ＮＯ．１８では、導体幅Ｗを比較的広くし、片側ターン数を少なくして、直列接続によるトータル抵抗の増加を抑えている。一方、第４の実施形態であるＮＯ．１〜ＮＯ．９では、並列接続により抵抗増加が抑えられるため、導体幅Ｗを比較的狭くして片側ターン数を多く確保することで、トータルインダクタンスを確保できる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

本実施の形態は、無接点電力伝送に係るものであったが、電磁誘導原理を用いた無接点信号伝送にも同様に適用することができる。

本実施の形態は、電力伝送や信号伝送を行うすべての電子機器に適用可能であり、たとえば、腕時計、電動歯ブラシ、電動ひげ剃り、コードレス電話、パーソナルハンディフォン、モバイルパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、電動自転車などの二次電池を備える被充電機器と充電機器とに適用可能である。

本発明に係る充電器及び電子機器の一例を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る積層コイルユニットの分解斜視図である。本発明に係る積層コイルユニットを電子機器に取り付けた状態を示す断面図である。図２に示す積層コイルユニットの接続状態を模式的に示す図である。図２に示す積層コイルユニットの等価回路図である。本発明の第２の実施形態に係る積層コイルユニットの分解斜視図である。図６に示す積層コイルユニットの接続状態を模式的に示す図である。図６に示す積層コイルユニットの等価回路図である。本発明の第３の実施形態に係る積層コイルユニットの分解斜視図である。図９に示す積層コイルユニットの接続状態を模式的に示す図である。図９に示す積層コイルユニットの等価回路図である。本発明の第４の実施形態に係る積層コイルユニットの分解斜視図である。図１１に示す積層コイルユニットの接続状態を模式的に示す図である。図１１に示す積層コイルユニットの等価回路図である。本発明の第１の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態に従って製造した積層コイルユニットの特性図である。

符号の説明

１０充電器、１２コイルユニット、２０電子機器、２２コイルユニット、２４筐体、３０，１００，２００，３００積層コイルユニット、４０Ａ〜４０Ｄ、１１０Ａ〜１１０Ｄ、２１０Ａ〜２１０Ｄ、３１０Ａ〜３１０Ｃ平面状空芯コイル、５０Ａ〜５０Ｂ、１２０Ａ〜１２０Ｄ、２２０Ａ〜２２０Ｄ、３２０Ａ〜３２０Ｄ絶縁基板、６０Ａ〜６０Ｄ、１３０Ａ〜１３０Ｄ、２３０Ａ〜２３０Ｄ、３３０Ａ〜３３０Ｃ導電パターン、５５Ａ，１５６Ａ，２５６Ａ，３５６Ａ第１の電極パターン、５６Ａ，１５７Ａ，２５７Ａ，３５７Ａ第２の電極パターン、５７Ａ〜５７Ｄ、１５２Ａ〜１５２Ｄ、１５３Ａ〜１５３Ｄ、２５２Ａ〜２５２Ｄ、２５３Ａ〜２５３Ｄ第１のスルーホール、５８Ａ〜５８Ｄ、１５４Ａ〜１５４Ｄ、２５４Ａ〜２５４Ｄ第２のスルーホール、５９Ａ〜５９Ｄ、１５５Ａ〜１５５Ｄ、２５５Ａ〜２５５Ｄ第３のスルーホール、８０，１５０第１のコイルユニット、８２，１５２第２のコイルユニット

Claims

無接点電力伝送のための一次側コイル及び二次側コイルの少なくとも一方に用いられる積層コイルユニットであって、
複数個の平面状空芯コイルを有し、
前記複数個の平面状空芯コイルの各々は、絶縁基板上に形成された渦巻状の導電パターンから構成されて、前記絶縁基板の厚さ方向にて積層され、
前記複数個の平面状空芯コイルは、前記複数個の平面状空芯コイルの各２個同士を接続することで形成されるコイル両端部を有し、
前記コイル両端部が接続される第１及び第２の電極パターンが、前記一次側コイル及び二次側コイルのいずれか他方と対向する伝送面とは逆側の非伝送面側の最端層に位置する前記絶縁基板の露出面に形成されていることを特徴とする積層コイルユニット。
請求項１において、
前記複数個の平面状空芯コイルの各２個の内端同士を接続するために、前記絶縁基板を貫通して形成された第１のスルーホールと、
前記複数個の平面状空芯コイルの各２個の外端同士を接続するために、前記絶縁基板を貫通して形成された第２のスルーホールと、
前記コイル両端部の一端を、前記第１及び第２の電極パターンの一方に接続するために、前記絶縁基板を貫通して形成された第３のスルーホールと、
を有することを特徴とする積層コイルユニット。
請求項１または２において、
前記複数個の平面状空芯コイルは、それぞれ異なる絶縁基板に形成されていることを特徴とする積層コイルユニット。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
複数個の平面状空芯コイルが前記平面状コイルの数よりも少ない数の絶縁基板に形成され、少なくとも１枚の絶縁基板の両面に、２個の平面状空芯コイルが一つずつ形成されていることを特徴とする積層コイルユニット。
請求項２において、
前記第１、第２、第３のスルーホールが、前記複数個の平面状空芯コイルが形成された全ての絶縁基板に貫通形成されていることを特徴とする積層コイルユニット。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記絶縁基板はフレキシブル基板であることを特徴とする積層コイルユニット。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記非伝送面側の最端層に位置する絶縁基板の前記露出面であって、該絶縁基板に形成された前記平面状空芯コイルを覆う位置に磁性体シートが積層されていることを特徴とする積層コイルユニット。
請求項１乃至７のいずれかに記載の前記積層コイルユニットを前記二次側コイルとして含み、充電器に設けられる前記一次側コイルとの間で無接点電力伝送することを特徴とする電子機器。
請求項１乃至７のいずれかに記載の前記積層コイルユニットを前記一次側コイルとして含み、電子機器に設けられる前記二次側コイルとの間で無接点電力伝送することを特徴とする充電器。