JP2010022098A - 電力変換伝送装置および非接触型被充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源回路モジュールのチョークコイルの高さを従来よりも低くすることで、低背化された電力変換伝送装置と非接触型被充電装置とを実現する。
【解決手段】誘電体基板１０の一方面には、回路電極１２が形成されるとともに、整流用電子部品１３Ａ，１３Ｂが実装されている。また、チョークコイル１４のコイル導体１４１が設置されている。コイル導体１４１の設置領域には、貫通孔１１０が形成されており、磁性体コア部材１４２が挿嵌されている。誘電体基板１０の他方面には磁性体シート２０が設置されるとともに、この磁性体シート２０の表面には受電コイル３０が設置されている。この際、磁性体シート２０は磁性体コア部材１４２に物理的、電気的に接続される。これにより、磁性体シート２０が磁性体コアの一部として機能し、この兼用部の分、低背化される。
【選択図】図２

Description

この発明は、外部からの交流電力を非接触で受電して直流電力に変換する電力変換伝送装置と、該電力変換伝送装置を備えた非接触型被充電装置に関するものである。

従来、携帯電話等の携帯端末のバッテリーを充電する場合、携帯端末の充電用端子と、充電器の端子とを物理的に接触させることで充電を行うシステムが一般的である。この場合、携帯端末と充電器との端子同士を確実に接触しなければならない。このため、非接触すなわち携帯端末と充電器の端子同士を物理的に接触させることなく充電する非接触型の充電装置が考案されている（特許文献１参照）。

図７は従来の非接触型充電装置１００’の概略構成を示すブロック図である。このような非接触型充電装置１００’は、外部からの交流電力を受電する受電コイル３０、受電した交流電力を直流電力に変換してバッテリー（二次電池）へ供給する電源回路モジュール１０’からなる電力変換伝送装置と、バッテリー４０と、当該バッテリー４０および電源回路モジュール１０’を所定距離離間させて設置するとともに電気的に導通させる接続用筐体５０とを備える。電源回路モジュール１０’は、誘電体基板１１’、誘電体基板１１’の一方の主面に形成された回路電極１２’、回路電極１２’に実装された整流回路用電子部品１３Ａ，１３Ｂとチョークコイル１４’を備える。さらに電源回路モジュール１０’の誘電体基板１１’の他方の主面には、磁性体シート２０’が設置されており、さらに磁性体シート２０’の表面に受電コイル３０が設置されている。
特開２００６−４２５１９号公報

ところで、このような非接触型充電装置１００’では、バッテリー４０が熱により劣化しやすいため、バッテリー４０と電源回路モジュール１０’の整流回路用電子部品１３Ａ，１３Ｂやチョークコイル１４’との間に適当な間隔を空けなければならない。

一方で、現在の携帯端末の小型化や薄型化の要望により、当該携帯端末に装着される充電装置も薄型化が要求される。このため、充電装置においては、電源回路モジュール１０’を低背化する必要がある。そして、電源回路モジュール１０’の低背化では、チョークコイル１４’の高さが問題となっている。

これは、このチョークコイル１４’の高さが高くなるのは直流重畳特性に起因する。直流重畳特性とは、インダクタンス値の電流特性（電流値によるインダクタンスの変化）を示す。そして、この直流重畳特性により、チョークコイル１４’は、磁性体コア部の厚みが厚くなるほど高電流を流してもインダクタンス値が低下せず、厚みが薄くなるほど高電流によりインダクタンス値が低下するとともに直流抵抗値が増加して電圧リップルが大きくなったり発熱したりする。

このため、急速充電可能な仕様にする場合、チョークコイル１４’には比較的高い電流が流れることになるので、磁性体コアの厚みを或程度以上確保しなければならない。

本発明の目的は、電源回路モジュールのチョークコイルの高さを従来よりも低くすることで、低背化された電力変換伝送装置と非接触型被充電装置とを実現することにある。

この発明は、外部からの電力供給により交流電力を出力する受電コイルと、該受電コイルの交流電力を直流電力に変換する整流回路、および該整流回路の出力電力を平滑するチョークコイルが実装又は形成された電源回路モジュールと、を備えた電力変換伝送装置に関するものである。この電力変換伝送装置の電源回路モジュールと受電コイルとの間には磁性体シートが設置される。チョークコイルはコイル導体および磁性体コアからなり、該磁性体コアの一部が磁性体シートからなる。

この構成では、磁性体シートが磁性体コアの一部兼用されているので、磁性体コアの形状が小型化される。すなわち、チョークコイルにおける磁性体シートに垂直な方向の高さが低くなる。

また、この発明の電力変換伝送装置の磁性体コアは、コイル導体が巻装される中心部材と、コイル導体を巻線状にしたコイル導体部の軸方向に平行な壁面を有する複数の側壁と、コイル導体部の軸方向に垂直な天面壁とからなる。そして、複数の側壁の天面壁と対向する端部が磁性体シートに当接する。

この構成は、磁性体シートが磁性体コアの一部として兼用される構造をより具体的に示したものであり、磁性体コアの天面壁に対向する底面壁として磁性体シートが用いられる。これにより、磁性体コアは低背化される。

また、この発明の電力変換伝送装置の電源回路モジュールは、整流回路が実装または形成されるとともにコイル導体部が実装された回路基板からなる。そして、この回路基板の一面に磁性体シートが装着され、該磁性体シートの回路基板側に磁性体コアが設置されるとともに、該磁性体シートの回路基板と対向する側に受電コイルが設置されている。

この構成では、チョークコイルのコイル導体部が実装された回路基板におけるコイル導体部が実装された側と反対側の面に設置された磁性体シートが磁性体コアの一部として兼用される。これにより、チョークコイル１４’は、回路基板に埋まる形状からなり、チョークコイルが低背化されるとともに、電源回路モジュールがさらに低背化される。さらに、整流回路を構成する電子部品が回路基板内に形成されることで、電源回路モジュールはより低背化される。

また、この発明の電力変換伝送装置のコイル導体を巻線状にしたコイル導体部は、コイル電極パターンが形成された複数の誘電体層と各層に形成されたコイル電極パターンを電気的に接続するビアホールとからなる。

この構成では、コイル導体部が薄膜電極を備える積層体により形成されることで、コイル導体部ひいてはチョークコイルが低背化される。

また、この発明の電力変換伝送装置の電源回路モジュールは、整流回路が実装または形成されるとともにコイル導体部が形成された回路基板からなり、この回路基板の一面に磁性体シートが装着され、該磁性体シートの回路基板側に磁性体コアが設置されるとともに、該磁性体シートの回路基板と対向する側に受電コイルが設置されている。

この構成では、チョークコイルのコイル導体部が回路基板に形成されるとともに当該回路基板の面に設置された磁性体シートが磁性体コアの一部として兼用される。これにより、チョークコイル１４’は、回路基板に埋まる形状からなり、チョークコイルが低背化されるとともに、電源回路モジュールがさらに低背化される。さらに、整流回路を構成する電子部品が回路基板内に形成されることで、電源回路モジュールはより低背化される。

また、この発明の電力変換伝送装置では受電コイルの中空部に対応した領域とチョークコイルを設置した領域が磁性体シートを介して対向する位置に設定されている。そして、磁性体シートは、受電コイルの中空部とチョークコイルの設置位置とが対向する領域が、当該領域以外の領域部分より厚く形成されている。

この構成では、磁性体コアの一部として兼用される磁性体シートの部分の厚みが厚くなるので、チョークコイルの直流重畳特性が改善される。

また、この発明の非接触型被充電装置は、上述の電力変換伝送装置と、該電力変換伝送装置の出力電力により充電される二次電池とを備える。

この構成では、上述の低背化された電力変換伝送装置を用いることで、非接触型被充電装置が低背化される。

この発明によれば、チョークコイルの直流重畳特性を劣化させることなく電力変換伝送装置を低背化することができるので、電気的特性および信頼性に優れる低背化された電力変換伝送装置を実現することができる。そして、この電力変換伝送装置を用いることで低背化された非接触型被充電装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換伝送装置を備えた非接触型被充電装置の構成について図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の非接触型被充電装置１００を充電する非接触型充電システムの主要構成を示すブロック図である。図２（Ａ）は、本実施形態の非接触型被充電装置１００の特徴的構成を示す側面断面概略図である。図２（Ｂ）、（Ｃ）は図２（Ａ）に示す磁性体コアを構成する磁性体コア部材１４２の形状を示す図であり、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図である。

非接触型充電システムでは、送電側システムとして、載置台９００内に備えられたＡＣ／ＤＣコンバータ９０１、充電用電力生成回路９０２、送電コイル９０３を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ９０１は、家庭用電源等の交流電源用コンセントからの交流電力の供給を受けて、所定電圧レベルの直流電力に変換する。充電用電力生成回路９０２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ９０１からの直流電力を非接触型充電の仕様に準じた充電用交流電力に変換して、載置台９００の表面付近に設置された送電コイル９０３へ供給する。

この非接触型充電システムで充電される非接触型充電装置１００は、受電コイル３０，電源回路モジュール１０、バッテリー４０を備え、携帯端末等に装着される。この非接触型充電装置１００を充電の際には、携帯端末を載置台９００上に載置する等により、非接触型充電装置１００の受電コイル３０を送電コイル９０３へ近接させる。送電コイル９０３に充電用交流電力が供給された状態で、受電コイル３０と送電コイル９０３とが近接すると、電磁誘導により、送電コイル９０３から受電コイル３０へ電力が伝送される。受電コイル３０が受信した充電用交流電力は電源回路モジュール１０へ供給され、電源回路モジュール１０は、交流電力を直流電力へ整流する整流回路と、整流回路から出力される直流電力のリップルを抑圧するチョークコイル１４とを備え、充電用交流電力から充電用直流電力を生成して、バッテリー４０へ供給する。

このような非接触型充電装置１００は、図２（Ａ）に示すような構造からなる。図２（Ａ）に示すように、非接触型充電装置１００は、電源回路モジュール１０と、磁性体シート２０と、受電コイル３０と、バッテリー４０と、接続用筐体５０とを備える。なお、電源回路モジュール１０、磁性体シート２０、受電コイル３０からなる部分が、本発明の「電力変換伝送装置」に相当する。電源回路モジュール１０は、誘電体基板１１、回路電極１２、整流回路用電子部品１３Ａ，１３Ｂ、チョークコイル１４を備える。誘電体基板１１は絶縁性を有する平板状の基板であり、その一方面（図２（Ａ）における誘電体基板１１の天面（上面））には、電源回路モジュール１０を構成する薄膜導体からなる回路電極１２が形成されている。回路電極１２には、整流用電子部品１３Ａ，１３Ｂが実装されるとともに、チョークコイル１４のコイル導体１４１の入出力端子（図示せず）が半田等により接続されている。チョークコイル１４は、軸に沿って巻かれたライン導体により形成された中空部を有するコイル導体１４１と、当該コイル導体１４１に装着される磁性体コア部材１４２および磁性体シート２０の一部により構成される磁性体コアとから形成される。磁性体コア部材１４２は、図２（Ｂ），（Ｃ）に示す構造からなり、コイル導体１４１の中空部に挿入される角柱状の軸体１４５と、当該軸体１４５の伸びる方向に沿った主面を有する平板状の側壁１４４Ａ，１４４Ｂと、軸体１４５、側壁１４４Ａ，１４４Ｂの一方端に当接する平板状の天面壁１４３とが一体形成されてなる。そして、磁性体コア部材１４２は、誘電体基板１１におけるコイル導体１４１が設置された位置を囲むように形成された貫通孔１１０へ挿嵌される。具体的に、貫通孔１１０は、磁性体コア部材１４２の軸体１４５、側壁１４４Ａ，１４４Ｂの外周形状に孔の内壁面形状が略一致するが内壁面の方が大きくなるように誘電体基板１１に形成されている。このため、当該貫通孔１１０に軸体１４５、側壁１４４Ａ，１４４Ｂを挿嵌することで、磁性体コア部材１４２を誘電体基板１１へ設置する際に正確な位置へ確実に設置することができる。すなわち、磁性体コア部材１４２の誘電体基板１１に対する位置合わせが容易になる。

このような誘電体基板１１の回路電極１２側には、磁性体コア部材１４２の天面壁１４５が所定距離離間するように、接続用筐体５０で固定されたバッテリー４０が設置されている。

誘電体基板１１における回路電極１２が形成された主面と対向する主面には、所定厚みからなる磁性体シート２０が設置されている。そして、この磁性体シート２０の誘電体基板１１と反対側の面には、中空領域を有する円環形状の受電コイル３０が設置されている。この受電コイル３０は、図示していないが、回路電極１２に電気的に接続されている。ここで、磁性体シート２０は、少なくとも受電コイル３０の存在する領域と磁性体コア部材１４２が設置された位置に対応する領域とを含む形状からなる。

このような構成において、磁性体コア部材１４２の軸体１４５および側壁１４４Ａ，１４４Ｂの側壁における天面壁１４３と反対側の端部は、磁性体シート２０へ接続する。このように、磁性体コア部材１４２と磁性体シート２０とが当接することで、磁性体コア部材１４２と磁性体シート２０とはコイル導体１４１に外装された磁性体コアとして機能させることができる。そして、磁性体コア部材１４２に底面壁を設けなくても、磁性体シート２０が磁性体コア部材１４２すなわち磁性体コアの底面壁となるので、底面壁を別途設ける必要がある従来の構成よりも、磁性体コアを低背化させることができる。これにより、チョークコイル１４を低背化させることができ、結果的に電源回路モジュール１０および非接触型被充電装置１００を低背化させることができる。また、磁性体コア部材１４２が誘電体基板１１内に挿嵌されることで、さらに電源回路モジュール１０を低背化させることができる。そして、電源回路モジュール１０を低背化させることができるので、非接触型被充電装置１００を低背化させることができる。

なお、上述の説明では、高さ方向に軸を有するコイル導体１４１を用いた例を示したが、誘電体基板１１の回路電極１２側の面に平面コイル電極パターンを設けることで、チョークコイル１４のコイル導体１４１に用いてもよい。これにより、電源回路モジュールおよび非接触型被充電装置をさらに低背化させることができる。

次に、第２の実施形態に係る非接触型被充電装置１０１について図を参照して説明する。図３は本実施形態の非接触型被充電装置１０１の特徴的構成を示す側面断面概略図である。

非接触型被充電装置１０１は、チョークコイル１４０１および誘電体基板１１０１の形状が異なるとともに、この形状の変化により接続用筐体１４の高さが低くなったものであり、他の構成は第１の実施形態に示した非接触型被充電装置１００と同じである。したがって、以下では、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。

チョークコイル１４０１を構成するコイル導体１４１１は、誘電体基板１１０１内に形成された電極パターンにより構成される。すなわち、誘電体基板１１０１の少なくともコイル導体１４１１の形成部は、複数の誘電体層が積層された積層構造からなり、その厚みは誘電体基板１１０１と略同じに形成されている。各誘電体層の面には、所定パターンからなる回路電極パターンが形成される。また、当該積層部分には、これら複数の誘電体層に形成された回路電極パターンを電気的に接続するように、誘電体基板１１０１の厚み方向に延びる形状のビアホール（図示せず）が形成されている。これらの回路電極パターンとビアホールとにより、上述のコイル導体１４１と同様の中空部を有するコイル導体１４１１が形成される。

このような構成を用いることで、チョークコイル１４のコイル導体１４１１は誘電体基板１１内に収納されるので、チョークコイル１４をより低背化させることができる。これにより、電源回路モジュール１００１および非接触型被充電装置１０１を低背化させることができる。

次に、第３の実施形態に係る非接触型被充電装置１０２について図を参照して説明する。図４は本実施形態の非接触型被充電装置１０２の特徴的構成を示す側面断面概略図である。

非接触型被充電装置１０２は、誘電体基板１１０２内に、回路電極パターン１２０１が形成されるとともに、整流用電子部品１３Ａ’，１３Ｂ’が形成もしくは実装されたものであり、他の構成は、第２の実施形態と同じである。

誘電体基板１１０２は積層体構造からなり、当該積層体の内部電極パターンにより回路電極パターン１２０１が形成されている。さらに、整流用電子部品１３Ａ’，１３Ｂ’は回路電極パターン１２０１に電気的に接続するように、誘電体基板１１０１内に実装されるか、もしくは電極パターンにより形成される。

このような構成とすることにより、チョークコイル１４０１が低背化されるとともに、整流用電子部品１３Ａ’，１３Ｂ’が誘電体基板１１０２に内蔵されるので、電源回路モジュール１００２および非接触型被充電装置１０２をさらに低背化させることができる。

次に、第４の実施形態に係る非接触型充電装置１０３について図を参照して説明する。図５は本実施形態の非接触型被充電装置１０３の特徴的構成を示す側面断面概略図である。

非接触型被充電装置１０３は、円環状からなる受電コイル３０の中空領域がチョークコイル１４０２の形成領域に一致するようにしたものである。さらに、当該中空領域に対応する磁性体シート２１の厚みが、他の部分の厚みよりも厚く設定されている。その他の構成は、第３の実施形態と同じである。

このような構成とすることで、チョークコイル１４０２の磁性体コアとして機能する磁性体シート２１の部分の厚みが厚くなるので、チョークコイル１４０２の直流重畳特性をより良好にすることができる。この際、磁性体シート２１の厚い部分の厚みを受電コイル３０の高さに一致させることで、厚みを増加させることなく直流重畳特性を良くすることができる。

なお、図６に示すように、磁性体シート２２の厚みが厚くなる部分を、受電コイル３０の高さよりも厚くしても良い。図６は本実施形態の他の構成からなる非接触型被充電装置１０４の特徴的構成を示す側面断面概略図である。

このように、厚みを受電コイル３０の高さよりも厚くした場合、送電コイル９０３の中空領域に、他部より厚い領域が嵌るので、非接触型充電装置１０４を、充電可能な位置へ容易にセットすることができる。

第１の実施形態の非接触型被充電装置１００を充電するシステムの主要構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の非接触型被充電装置１００の特徴的構成を示す側面断面概略図、および、磁性体コアを構成する磁性体コア部材１４２の形状を示す図である。 第２の実施形態の非接触型被充電装置１０１の特徴的構成を示す側面断面概略図である。 第３の実施形態の非接触型被充電装置１０２の特徴的構成を示す側面断面概略図である。 第４の実施形態の非接触型被充電装置１０３の特徴的構成を示す側面断面概略図である。 第４の実施形態の他の構成からなる非接触型被充電装置１０４の特徴的構成を示す側面断面概略図である。 従来の非接触型充電装置１００’の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００，１０１〜１０４−非接触型被充電装置、１０，１０’−電源回路モジュール、２０−磁性体シート、３０−受電コイル、４０−バッテリー、５０−接続用筐体、１１，１１’−誘電体基板、１２，１２’−回路電極、１３Ａ，１３Ｂ−整流回路用電子部品、１４，１４’−チョークコイル、９００−載置台、９０１−ＡＣ／ＤＣコンバータ、９０２−充電用電力生成回路、９０３−送電コイル

Claims (7)

1. 外部からの電力供給により交流電力を出力する受電コイルと、
   該受電コイルの前記交流電力を直流電力に変換する整流回路、および該整流回路の出力電力を平滑するチョークコイルが実装又は形成された電源回路モジュールと、を備えた電力変換伝送装置であって、
   前記電源回路モジュールと前記受電コイルとの間には磁性体シートが設置され、
   前記チョークコイルはコイル導体および磁性体コアからなり、該磁性体コアの一部が前記磁性体シートからなる電力変換伝送装置。
2. 前記磁性体コアは、前記コイル導体が巻装される中心部材と、前記コイル導体を巻線状にしたコイル導体部の軸方向に平行な壁面を有する複数の側壁と、前記コイル導体部の軸方向に垂直な天面壁とからなり、
   前記複数の側壁の前記天面壁と対向する端部は、前記磁性体シートに当接する、請求項１に記載の電力変換伝送装置。
3. 前記電源回路モジュールは、前記整流回路が実装または形成されるとともに前記コイル導体部が実装された回路基板からなり、
   該回路基板の一面に前記磁性体シートが装着され、該磁性体シートの前記回路基板側に前記磁性体コアが設置されるとともに、該磁性体シートの前記回路基板と対向する側に前記受電コイルが設置されている、請求項２に記載の電力変換伝送装置。
4. 前記コイル導体を巻線状にしたコイル導体部は、コイル電極パターンが形成された複数の誘電体層と各層に形成された前記コイル電極パターンを電気的に接続するビアホールとからなる、請求項１に記載の電力変換伝送装置。
5. 前記電源回路モジュールは、前記整流回路が実装または形成されるとともに前記コイル導体部が形成された回路基板からなり、
   該回路基板の一面に前記磁性体シートが装着され、該磁性体シートの前記回路基板側に前記磁性体コアが設置されるとともに、該磁性体シートの前記回路基板と対向する側に前記受電コイルが設置されている、請求項４に記載の電力変換伝送装置。
6. 前記受電コイルの中空部に対応した領域と前記チョークコイルを設置した領域が前記磁性体シートを介して対向する位置にあり、
   前記磁性体シートは、前記受電コイルの中空部と前記チョークコイルの設置位置とが対向する領域が、当該領域以外の領域部分より厚く形成されている、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の電力変換伝送装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換伝送装置と、該電力変換伝送装置の出力電力により充電される二次電池とを備えた、非接触型被充電装置。

Images