JP2012190882A - コイル装置およびそれを用いた非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界共鳴による電力伝送に好適なように、基板上にコイルパターンが形成された共振コイル層を多数層積層して構成され、コイルパターン間に発生する渦電流損失が低減されたコイル装置を提供する。
【解決手段】共振コイル間の磁界共鳴を利用して、送電コイルから送電コイルに電力を伝送する非接触電力伝送に用いる受電コイルまたは送電コイルの少なくとも一方を構成するコイル装置。共振コイルは、基板１３、１５の表面部にコイル状の銅パターン１２ａ、１２ｂを有する共振コイル層１１ａ〜１１ｄを複数層積層して構成され、共振コイル層の各々の銅パターンが全体として連続したコイルを形成するように互いに接続され、共振コイル層における銅パターンは、隣接する共振コイル層の銅パターンに対して、径方向においてずらして配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁界共鳴を利用して非接触（ワイヤレス）で電力を伝送する磁界共鳴型の非接触電力伝送装置に用いられる平面コイル装置の改良に関する。

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電場または磁場共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路で実現可能（トランス方式）であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。

そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。

図１０は、磁界共鳴を利用した電力伝送装置の構成例の概略を示した正面図である。送電装置１と受電装置２はそれぞれ、ループコイル３ａと共振コイル４ａを組合わせた送電側のコイル装置、及びループコイル３ｂと共振コイル４ｂを組合わせた受電側のコイル装置を備えている。送電装置１のループコイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２のループコイル３ｂには、整流器７を介して負荷（充電器など）８が接続されている。

ループコイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により共振コイル４ａに電気信号を伝送する誘電素子である。共振コイル４ａはループコイル３ａから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この共振コイル４ａは、共振周波数ｆ０＝１／１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝（Ｌは送電側の共振コイル４ａのインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において磁界強度が最大となる。共振コイル４ａの電力は、磁界共鳴により受電装置２の共振コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、共振コイル４ｂから電磁誘導によりループコイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて負荷８に供給される。

このような磁界共鳴型の非接触電力伝送装置に関し、小型化・軽量化を目的として、特許文献１には、給電コイル（ループコイル）や共鳴コイル（共振コイル）を、銅箔パターンからなる平面コイルとしてプリント基板上に設け、更に共鳴コイルを同一半径で揃えて多数層積層した形態が記載されている。

特開２０１０−７３９７６号公報

しかし、特許文献１の技術を用いて共鳴コイルを形成したプリント基板を多層枚積層して電力を伝送しようとすると、隣り合う層間（例えば、上下の層間）での共鳴コイル間における渦電流損失が生じる可能性が高い。特に、小型用モバイルなどに使われる共鳴コイルを形成した各層の厚さは数１００μｍと薄く、その関係でコイル間距離も短くなり発熱などによる影響も大きくなってしまう。

また、特許文献１では、電力の伝送効率が最も高くなるように、給電コイルと共鳴コイルとの間の距離を予め設定し、その距離となるように薄いプリント基板を多数枚設けている。しかし、そのような構成の場合、給電コイルと共鳴コイルの間の距離を再調整することは困難である。従って、給電側の共鳴コイルと受電側の共鳴コイルの間の距離が多少変化した場合に、給電側の給電コイルと共鳴コイルとの距離を再調整することにより、直ちに対応するのに適した構成とは言えない。

本発明は、このような従来技術における問題点を解決し、磁界共鳴による電力伝送に好適なように、基板上にコイルパターンが形成された共振コイル層を多数層積層して構成され、コイルパターン間に発生する渦電流損失が低減されたコイル装置を提供することを目的とする。

また、そのようなコイル装置を用い、簡単な調整で電力伝送効率を向上させることが可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明のコイル装置は、共振コイルを含む送電コイルと、共振コイルを含む受電コイルとを用い、前記共振コイル間の磁界共鳴を利用して、前記送電コイルから前記送電コイルに電力を伝送する非接触電力伝送に用いる前記受電コイルまたは前記送電コイルの少なくとも一方を構成するものである。

上記課題を解決するために、本発明のコイル装置は、前記共振コイルが、基板の表面部に平面コイル状の銅パターンを有する共振コイル層を複数層積層して構成され、前記共振コイル層の各々の前記銅パターンが全体として連続したコイルを形成するように互いに接続され、各々の前記共振コイル層の前記銅パターンは、隣接する前記共振コイル層の前記銅パターンに対して、径方向においてずらして配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、平面コイルが積層された構造の共振コイルにおいて、各層の銅パターンが、隣接する層の銅パターンに対して、径方向においてずらして配置されていることにより、隣接するコイル同士が互いに発生する渦電流を低減させて、渦電流損失による発熱を抑制することができる。

本発明の各実施の形態に共通する非接触電力伝送装置の概略構成を示す図 実施の形態１における非接触電力伝送装置に用いられるコイル装置の断面図 同コイル装置における各層のパターンを示す平面図 実施の形態２におけるコイル装置の断面図 同コイル装置における各層のパターンを示す平面図 実施の形態３におけるコイル装置の断面図 同コイル装置における多層ループコイルの各層の配置を示す平面図 同多層ループコイルの全層が組み合わされたパターンを示す平面図 同多層ループコイルの各層を選択するための構成例を示す断面図 従来例の磁界共鳴型電力伝送装置の構成を示す概略正面図

本発明のコイル装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、各々の前記共振コイル層には、１ループの同心円状の前記銅パターンが１ターン形成され、奇数層の前記共振コイル層における前記銅パターンの半径をＲ１、偶数層の前記共振コイル層における前記銅パターンの半径をＲ２、前記銅パターンの幅をｄとしたとき、｜Ｒ１−Ｒ２｜＞ｄを満足する構成とすることが好ましい。

また、各々の前記共振コイル層には、１ループの同心円状の前記銅パターンが渦巻き状にｎターン（ｎは２以上の整数）形成され、奇数層（または偶数層）の前記共振コイル層における前記銅パターンについて、各ターンの半径をＲｊａ（ｊは１〜ｎまでの整数）と記述し、偶数層（または奇数層）の前記共振コイル層における前記銅パターンについて、各ターンの半径をＲｊｂと記述し、ｊは最外周ターンを１として内周側へ向かって増加するものとしたとき、Ｒｊａ＞Ｒｊｂ＞Ｒ（ｊ＋１）ａ＞Ｒ（ｊ＋１）ｂ（但し、ｊは１〜（ｎ−１））の条件を満足する構成とすることができる。

この場合、Ｒｊｂ＝（（Ｒｊａ＋Ｒ（ｊ＋１）ａ）／２、及びＲ（ｊ＋１）ａ＝（（Ｒｊｂ＋Ｒ（ｊ＋１）ｂ）／２、（但し、ｊは１〜（ｎ−１））の条件を満足することが好ましい。これにより、奇数層の同一平面上の隣り合う銅パターンのちょうど中間の位置に、偶数層の銅パターンび半径が設定され、隣接する層からの渦電流による損失（発熱など）を、効果的に低減することができる。

さらに、前記銅パターンの幅をｄとしたとき、（Ｒｊａ−Ｒ（ｊ＋１）ａ）＞２ｄ、（但し、ｊは１〜（ｎ−１））の条件を満足することが好ましい。これにより、渦電流損失を更に効果的に低減することができる。

また、各ターンごとに前記銅パターンの半径を変更するための切り替え部が設けられた構成とすることができる。

また、前記共振コイルに隣接して配置されたループコイルを備え、前記ループコイルは、基板の表面部に平面コイル状の銅パターンを有するループコイル層を少なくとも一層用いた積層構造を有して、前記共振コイルに積層されており、前記ループコイルと前記共振コイルが隣接する部分における前記共振コイル層と前記ループコイル層は、共通の前記基板の両面に対向して各々形成されている構成とすることができる。

また、前記ループコイルは、複数の前記ループコイル層の積層体であり、各層の前記ループコイル層の前記銅パターンは、互いに電気的に分離されている構成とすることができる。

この場合、前記ループコイル層の各々の前記銅パターンの直径は、前記共振コイルから遠くなる程、小さくなるように設定されていることが好ましい。

さらに、前記ループコイル層の各々の前記基板の直径は、前記共振コイルから遠くなる程、小さくなるように設定されている構成とすることができる。

本発明の非接触電力伝送装置は、共振コイルを含む送電コイルを備えた送電装置と、共振コイルを含む受電コイルを備えた受電装置とを用い、前記受電コイル及び前記送電コイルの前記共振コイル間の磁界共鳴を利用して、前記送電装置から前記受電装置に電力を伝送するように構成され、前記受電コイルまたは前記送電コイルの少なくとも一方は、上記いずれかの構成を有するコイル装置を用いて構成されている。

この非接触電力伝送装置において、前記コイルに含まれる前記ループコイルは、複数の前記ループコイル層の積層体であり、各層の前記ループコイル層の前記銅パターンは、互いに電気的に分離され、複数の前記ループコイル層のうちのいずれか一つを選択的に動作させて、送電または受電を行うように構成されることが好ましい。

これにより、受電側の共振コイルと送電側の共振コイルとの距離が一度設定した後ではあまり変化しない使用形態（例えば、窓ガラスや壁を挟んで電力を伝送するケースなど）の場合は、非接触電力伝送装置の取り付け時に共振コイル間の距離が微妙に異なった場合や、経時変化などで距離が多少変化した場合に、動作させるループコイル層を適宜選択して、ループコイルと共振コイルとの距離を適切に変更することができる。従って、従来技術に比べて、送電側と受電側との共振コイル間の距離が変化した時の調整回路が簡単となり、かつループコイルの移動に使う機構系も不要であり、安価な非接触電力伝送装置を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、各実施の形態に共通する非接触電力伝送装置の概略構成を示す図である。図１０に示した電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを簡略化する。送電装置１及び受電装置２におけるループコイル３ａ、３ｂと共振コイル４ａ、４ｂは、図１０に示したものと機能は同じであるが、小型化のために、銅箔パターンからなる平面コイルを用いて形成される。矢印Ａ１、Ａ２は、ループコイル３ａ、３ｂと共振コイル４ａ、４ｂ間で、電磁誘導により電力が伝送されることを示す。また、矢印Ｂは、共振コイル４ａ、４ｂ間で、磁界共鳴により電力が伝送されることを示す。

また図示は省略されているが、この電力伝送装置には、共振コイル４ａ、４ｂの位置や共振周波数が変わった時に結合係数やＱ値などを制御して、高い伝送効率を得るために用いる回路や、送受電間で情報のやり取りをするための回路等を含むことができる。

なお、以下に説明する実施の形態は、送電コイル１または受電コイル２に共通する。従って、送電コイル１または受電コイル２の少なくとも一方に、本実施の形態の構成を適用することができる。

本実施の形態の構成では、ループコイル３ａ、３ｂとしては、１ループの同心円状に１ターンのみ銅パターンを形成した平面コイルを用いる。一方、共振コイル４ａ、４ｂとしては、トータルのインダクタンスを大きくするために、１ループの同心円状に平面コイル状の銅箔パターンが形成された共振コイル層を、多数層積層したものを用いる。

図２は、実施の形態１における、上記非接触電力伝送装置に用いるためのコイル装置を示す断面図である。このコイル装置は、図１の共振コイル４ａ、４ｂとして用いられるものであり、共振コイル層の積層体である多層共振コイル１０を形成している。多層共振コイル１０は、第１〜第４共振コイル層１１ａ〜１１ｄが積層されたものである。各共振コイル層１１ａ〜１１ｄには、銅箔パターン１２ａまたは１２ｂが設けられている。

互いに隣接する層に形成された銅箔パターン１２ａ、１２ｂ同士は、各層の接続のためにビアホール（層間接続ホール、図示省略）により電気的に接続されている。各層の銅箔パターン１２ａ、１２ｂを接続することにより、連続した多層共振コイル１０が構成されている。

図３は、多層共振コイル１０における各層の銅箔パターン１２ａ、１２ｂの形状を示す平面図である。銅箔パターン１２ａ、１２ｂは、１ループの同心円状に１ターンの銅箔パターンが形成されたものである。

図２に示すように、第１共振コイル層１１ａは、厚めの主基板１３と、その上面に設けられた大径（Ｒ１）の銅箔パターン１２ａと、その上に形成されたＳｉＮ層からなる保護層１４により構成されている。第２及び第４共振コイル層１１ｂ、１１ｄは、主基板１３より薄い薄膜基板１５と、小径（Ｒ２）の銅箔パターン１２ｂと、保護層１４とからなる。第３共振コイル層１１ｃは、薄膜基板１５と、大径の銅箔パターン１２ａと、保護層１４とからなる。保護層１４は、銅箔パターン１２ａ、１２ｂを錆びから保護するために設けられるものである。

銅箔パターン１２ａ、１２ｂの断面形状は、送電方向（厚さ方向）において短く、送電方向に直交する方向（幅ｄ方向）に対しては長くなっている。例えば、本実施の形態では、幅ｄが約１ｍｍで、厚さが約５０μｍである。主基板１３の厚さは約１ｍｍ、薄膜基板１５の厚さは約１００μｍである。

本実施の形態は、各共振コイル層１１ａ〜１１ｄの銅箔パターン１２ａ、１２ｂを、従来例と異なり、隣接する層間同士で径方向にずらしていることを特徴とする。そのために、奇数層（１層目と３層目）の銅箔パターン１２ａと、偶数層（２層目と４層目）の銅箔パターン１２ｂは、半径が互いに異なるように形成されている。すなわち、奇数層の半径Ｒ１、偶数層の半径Ｒ２について、Ｒ１≠Ｒ２の条件を満たするように設定されている。これにより、隣接する層からの渦電流による損失（発熱など）を少なくすることができる。更に、銅箔パターンの幅ｄに対して、（Ｒ１−Ｒ２）＞ｄの条件を満足するように各層の銅箔パターンを形成することにより、より確実に渦電流による損失を低減する効果を得ることができる。

図３は、図２の多層共振コイル１０における各層の銅箔パターン１２ａ、１２ｂの平面形状の例を示したものである。図３（ａ）は奇数層の共振コイル層１１ａ、１１ｃの銅箔パターン１２ａ、図３（ｂ）は偶数層の共振コイル層１１ｂ、１１ｄの銅箔パターン１２ｂを示す。このように、奇数層では、１ループの同心円状の銅箔パターン１２ａが半径Ｒ１の位置に１ターンのみ形成され、偶数層では、１ループの同心円状の銅箔パターン１２ｂが半径Ｒ２の位置に１ターンのみ形成されている。

図３（ａ）に示すように、銅箔パターン１２ａには切り替え領域１６が設けられ、そこでパターンが不連続となっている。切り替え領域１６において、パターンの一方の端部は半径Ｒ１を維持して外端１７ａを形成し、他端は内側に屈曲して半径Ｒ２の位置に内端１７ｂを形成している。一方、図３（ｂ）に示すように、銅箔パターン１２ｂにも切り替え領域１８が設けられ、そこでパターンが不連続となっている。切り替え領域１８では、パターンの一方の端部は外側に屈曲して半径Ｒ１に位置する外端１９ａを形成し、他端は半径Ｒ２を維持して内端１９ｂを形成している。

従って、奇数層である第１、第３共振コイル層１１ａ、１１ｃの銅箔パターン１２ａは、外端１７ａから半径Ｒ１で同心円状に形成され、最終的には切り替え領域１６で半径Ｒ２の内端１７ｂの位置まで形成されている。偶数層である第２、第４共振コイル層１１ｂ、１１ｄの銅箔パターン１２ｂは、内端１９ｂから半径Ｒ２で同心円状に形成され、最終的には切り替え領域１８で半径Ｒ１の外端１９ａの位置まで形成されている。

奇数層の内端１７ｂと偶数層の内端１９ｂは同じ位置（半径Ｒ２）に位置し、ビアホール（層間接続ホール）により次の奇数層と電気的に接続されている。また、偶数層の外端１９ａと奇数層の外端１７ａは同じ位置（半径Ｒ１）に位置し、ビアホール（層間接続ホール）により電気的に接続されている。

これにより、第１共振コイル層１１ａの銅箔パターン１２ａから、第４共振コイル層１１ｄの銅箔パターン１２ｂまで連続した、多層共振コイル１０が形成されている。しかも、奇数層と偶数層では銅箔パターンの径が異なり、径方向において銅箔パターンがずれた状態が得られる。また、切り替え部１６、１８では銅箔パターンが、隣接する層において薄膜基板１５の厚みを介して一度交差するものの、大部分の領域では重なっていない。

上記構成では、奇数層の銅箔パターン１２ａの半径Ｒ１が、偶数層の銅箔パターン１２ｂの半径Ｒ２より大きい場合について記述したが、逆の関係に設定してもよい。

また、多層共振コイル１０として、厚めの主基板１３を用いた第１共振コイル層１１ａの上に、薄膜基板１５を用いた３層の第２〜第４共振コイル層１１ｂ〜１１ｄを積層した４層構造の例を示したが、必要に応じて積層枚数を適宜変更することができる。また、上記構成では銅箔パターンを用いたが、スパッタ法やめっき法、あるいはスクリーン印刷法等により形成した銅薄膜パターンを用いることもできる。

＜実施の形態２＞
図４は、実施の形態２におけるコイル装置を示す断面図である。このコイル装置は、共振コイルを構成するものであり、平面コイルの積層体である多層共振コイル２０を形成している。図４に示すように、多層共振コイル２０は、第１〜第４共振コイル層２１ａ〜２１ｄを積層して構成されている。各共振コイル層２１ａ〜２１ｄには、銅箔パターン２２ａまたは２２ｂが設けられている。互いに隣接する層に形成された銅箔パターン２２ａ、２２ｂ同士は、各層の接続のためにビアホール（層間接続ホール、図示省略）により電気的に接続されて、連続した多層共振コイル２０が構成されている。

図５は、図４の多層共振コイル２０における各層の銅箔パターン２２ａ、２２ｂの平面形状の例を示したものである。図５（ａ）は奇数層の共振コイル層２１ａ、２１ｃの銅箔パターン２２ａ、図５（ｂ）は偶数層の共振コイル層２１ｂ、２１ｄの銅箔パターン２２ｂを示す。銅箔パターン２２ａ、２２ｂは、１ループの同心円状の銅箔パターンを渦巻き状に形成したものである。ここでは、外周から内周に向けて３ターン形成した例が示されている。すなわち、奇数層では、１ループの同心円状の銅箔パターンが最外周の半径Ｒ１ａから内周に向かって３ターン形成され、偶数層では、１ループの同心円状の銅箔パターンが最外周の半径Ｒ１ｂから内周に向かって３ターン形成されている。

第１共振コイル層２１ａは、厚めの主基板１３（厚さ約１ｍｍ）と、その上面に設けられた最外周ターンの半径がＲ１ａの銅箔パターン２２ａと、その上に形成された樹脂層からなる絶縁層２３により構成されている。第２及び第４共振コイル層２１ｂ、２１ｄは、主基板１３より薄い薄膜基板１５（厚さ約１００μｍ）と、最外周ターンの半径がＲ１ｂの銅箔パターン２２ｂと、絶縁層２３とからなる。第３共振コイル層２１ｃは、薄膜基板１５と、最外周ターンの半径がＲ１ａの銅箔パターン２２ａと、絶縁層２３とからなる。なお、積層数は適宜変更することができる。

本実施の形態でも、各共振コイル層２１ａ〜２１ｄの銅箔パターン２２ａ、２２ｂを、従来例と異なり、隣接する層間同士で径方向にずらしていることを特徴とする。そのために、奇数層（１層目と３層目）の銅箔パターン２２ａと、偶数層（２層目と４層目）の銅箔パターン２２ｂは、各ターンの半径が異なるように形成されている。

すなわち、奇数層の最外周ターンの銅箔パターンの半径をＲ１ａ、その内側の２番目のターンの半径をＲ２ａ、最内周ターンの半径をＲ３ａとし、偶数層の最外周ターンの半径をＲ１ｂ、その内側の２番目のターンの半径をＲ２ｂ、最内周ターンの半径をＲ３ｂとすると、Ｒ１ａ＞Ｒ１ｂ＞Ｒ２ａ＞Ｒ２ｂ＞Ｒ３ａ＞Ｒ３ｂの条件を満足する。

更に、Ｒ１ｂ＝（Ｒ１ａ＋Ｒ２ａ）／２、Ｒ２ａ＝（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）／２、Ｒ２ｂ＝（Ｒ２ａ＋Ｒ３ａ）／２、Ｒ３ａ＝（Ｒ２ｂ＋Ｒ３ｂ）／２となるように、奇数層の同一平面上の隣り合うターンのちょうど中間の半径位置に、偶数層のターンが配置される。これにより、隣接する層からの渦電流による損失（発熱など）を少なくすることができる。

更に、銅箔パターンの幅ｄに対して、（Ｒ１ａ−Ｒ２ａ）＞２ｄ、（Ｒ２ａ−Ｒ３ａ）＞２ｄの条件で各層の銅箔パターンを形成することにより、より確実に渦電流による損失を低減する効果を得ることができる。

銅箔パターン２２ａ、２２ｂの半径に関する上述の関係は、ターン数をｎ（ｎは２以上の整数）として、下記のように記載することができる。

奇数層の銅箔パターン２２ａについて、各ターンの半径をＲｊａ（ｊは１〜ｎまでの整数）と記述し、偶数層の銅箔パターン２２ｂについて、各ターンの半径をＲｊｂと記述し、ｊは最外周ターンを１として内周側へ向かって増加するものとすると、各ターンの半径は、下記の条件を満足する。

Ｒｊａ＞Ｒｊｂ＞Ｒ（ｊ＋１）ａ＞Ｒ（ｊ＋１）ｂ（但し、ｊは１〜（ｎ−１））
また、奇数層の同一平面上の隣り合うターンのちょうど中間の半径位置に、偶数層のターンが配置されようにするためには、下記の条件を満足する。

Ｒｊｂ＝（（Ｒｊａ＋Ｒ（ｊ＋１）ａ）／２、及び
Ｒ（ｊ＋１）ａ＝（（Ｒｊｂ＋Ｒ（ｊ＋１）ｂ）／２、（但し、ｊは１〜（ｎ−１））
更に、銅パターンの幅ｄに対して、下記の条件を満足する。

（Ｒｊａ−Ｒ（ｊ＋１）ａ）＞２ｄ（但し、ｊは１〜（ｎ−１））
また、本実施の形態における絶縁層２３は、同一平面上の隣り合う銅箔パターン同士による渦電流による発熱を少なくするために設けられる。例えば、銅箔パターン間に樹脂層を塗布法により約５０μｍ形成したものである。

本実施の形態における３ターン形成された銅箔パターン２２ａ、２２ｂの形状について、以下に詳細に説明する。図５（ａ）に示すように、銅箔パターン２２ａには切り替え領域２４が設けられている。切り替え領域２４では、パターンの最外周の端部が半径Ｒ１ａから外側に屈曲して外端２５ａを形成し、最内周の端部は内側に屈曲して半径Ｒ３ｂの位置に内端２５ｂを形成している。一方、図５（ｂ）に示すように、銅箔パターン２２ｂにも切り替え領域２６が設けられている。切り替え領域２６では、パターンの最外周の端部が外側に屈曲して外端２５ａと同じ半径に位置する外端２７ａを形成し、最内周の端部は半径Ｒ３ｂを維持して内端２７ｂを形成している。

奇数層の銅箔パターン２２ａは、外端２５ａから屈曲して半径Ｒ１ａの位置で同心円状に１ターン目を形成し、切り替え領域２４において屈曲して半径Ｒ２ａの位置で同心円状に２ターン目を形成し、さらに、切り替え領域２４において屈曲して半径Ｒ３ａの位置で同心円状に３ターン形成した後、内端２５ｂの位置に至っている。

奇数層の内端２５ｂと偶数層の内端２７ｂは、同じ位置でビアホール（層間接続ホール）により電気的に接続されている。偶数層の銅箔パターン２２ｂは、内端２７ｂから外周に向かって、切り替え領域２６で屈曲しながら、半径Ｒ３ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ１ｂの位置でそれぞれ同心円状に各ターンを形成し、３ターンを形成した後、外端２７ａの位置に至っている。

第２コイル層２１ｂの銅箔パターン２２ｂの外端２７ａは、第３コイル層２１ｃの銅箔パターン２２ｃの外端２４ａと、ビアホールにより電気的に接続されている。さらに、第３コイル層２１ｃの銅箔パターン２２ａの内端２５ｂは、第４コイル層２１ｄの銅箔パターン２２ｂの内端２７ｂと、ビアホールにより電気的に接続されている。以上のようにして、第１〜第４共振コイル層２１ａ〜２１ｄの銅箔パターン２２ａ、２２ｂは、４層が連続した多層共振コイル２０を形成している。

本実施の形態は、以上のように、隣接する層での銅箔パターンが径方向にずらして形成されていることが特徴である。切り替え部２４、２６では、隣接する層において薄膜基板１５の厚みを介して１ターン毎に最大で一度交差するものの、大部分の領域では重なっていない。

また、上記構成における銅箔パターンの渦巻き状の方向は、外周を起点とすると、奇数層では右回り（外端２５ａ→内端２５ｂ）であるのに対して、偶数層では左回り（外端２７ａ→内端２７ｂ）と、逆方向（逆スパイラル）になっている。従って、銅箔パターン２２ａ、２２ｂの中心軸から見て、各層の銅箔パターンを流れる電流の渦巻き方向は、同じ方向になる。これにより、磁場の方向が各層で同じとなるので、効率よく電力を伝送できる。

本実施の形態では、各層において切り替え領域２４、２６を設けて同心円状の１ループを複数本形成したが、切り替え領域を設けないで１周ごとに、各ターンの直径差（例えばＲ１ａ−Ｒ２ａ）の距離だけ内周に移動する通常のスパイラル状に形成しても良い。この場合には、奇数層と偶数層とでスパイラル方向を逆にして交互に積層する。

なお、銅箔パターンの半径、接続、及び渦巻き状の方向に関する上述の関係は、奇数層の各ターンの半径Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａが、偶数層の対応するターンの半径Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａよりも大きい場合について記述したが、逆の関係に設定してもよい。

また、上記構成では銅箔パターンを用いたが、スパッタ法やめっき法、あるいはスクリーン印刷法等により形成した銅薄膜パターンを用いることもできる。

＜実施の形態３＞
図６は、実施の形態３におけるコイル装置を示す断面図である。このコイル装置は、図４に示した実施の形態２における多層共振コイル２０と同様の構造を有する多層共振コイル３０と、図１のループコイル３ａ、３ｂを構成する多層ループコイル３１が積層されたものである。多層共振コイル３０は、第１〜第４共振コイル層３２ａ〜３２ｄを積層して構成されている。多層ループコイル３１は、第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃを積層して構成されている。なお、ループコイル層は３層に限られず、目的に応じて適宜層数を変更することができる。

第１〜第４共振コイル層３２ａ〜３２ｄは、実施の形態１及び２とは異なり、銅箔パターンではなく銅薄膜パターン３４ａ、３４ｂによりコイルパターンが形成されている。第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃも、銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃによりコイルパターンが形成されている。

主基板３６は、多層共振コイル３０の第１コイル層３２ａ、及び多層ループコイル３１の第１ループコイル層３３ａを形成するための基板を兼ねている。すなわち、主基板３６の上面部には、銅薄膜パターン３４ａが設けられ、裏面部には銅薄膜パターン３５ａが設けられている。多層共振コイル３０の第２〜第４共振コイル層３２ｂ〜３２ｄは、薄膜基板３７の上面部に銅薄膜パターン３４ａまたは３４ｂが形成されたものである。銅薄膜パターン３４ａ、３４ｂの形状及び接続構造は、実施の形態２における銅箔パターン２２ａ、２２ｂと同様である。多層ループコイル３１の第２、第３ループコイル層３３ｂ、３３ｃは、薄膜基板３８、３９の上面部にそれぞれ、銅薄膜パターン３５ｂ、３５ｃが形成されたものである。

図７は、多層ループコイル３１における各層のループコイルを形成する銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃの配置例を示す平面図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図６における多層ループコイル３１の側から見た第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃを、各々示している。主基板３６に形成された第１ループコイル層３３ａを構成する銅薄膜パターン３５ａは、同心円状の１ループのみのパターンであり、最外周に配置されている。この銅薄膜パターン３５ａの両端は主基板３６の外周縁まで引き延ばされ、電力供給用の端子ｘ１、ｘ２を形成している。また第２ループコイル層３３ｂを構成する銅薄膜パターン３５ｂは、主基板３６よりも薄膜基板３８の直径が小さい他は、銅薄膜パターン３５ａと同様な形態となっており、外周縁で電力供給用の端子ｙ１、ｙ２を形成している。第３ループコイル層３３ｃを構成する銅薄膜パターン３５ｃも、薄膜基板３９の直径以外は同様であり、外周縁で電力供給用の端子ｚ１、ｚ２を形成している。第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃが積層された多層ループコイル３１の平面形状を、図８に示す。銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃの側からみると、それぞれの層の銅薄膜パターンが見える状態に形成されている。ここでは、各電力供給用の端子は同じ方向に形成されている。

本実施の形態におけるコイル装置の特徴について、以下に説明する。従来は、図１に示したようなループコイル３ａ、３ｂと共振コイル４ａ、４ｂは、別々の基板に設けられていた。そして、受電側の共振コイル４ａと送電側の共振コイル４ｂの距離が変化した時に効率よく電力を伝送できるように、必要に応じてループコイル３ａ、３ｂを動かしていた。しかし、受電側の共振コイル４ａと送電側の共振コイル４ｂの距離が、一度設定した後ではあまり変化しない使用形態（例えば、窓ガラスや壁を挟んで電力を伝送するケースなど）では、ループコイル３ａ、３ｂをあまり動かさないで対応できる可能性が高い。

そこで、本実施の形態では、ループコイルを薄膜基板に同心円状の１ループで形成したループコイル層を作製し、そのループコイル層を多層積層させて、多層ループコイル３１が構成されている。受電側の共振コイルと送電側の共振コイルとの間に存在する物質（空気、水、金属など）によって、ループコイルと共振コイルの調整すべき距離は決まるが、ある程度材質と共振コイル間の距離がわかっていれば、予めループコイルと共振コイルとの距離を基板厚で決定することができる。

しかし、送電装置と受電装置を配置した時に共振コイル間の距離が微妙に異なった場合や、経時変化などで距離が多少変化した場合には、ループコイルと共振コイルの距離が可変であった方がよい。そのため本実施の形態では、ループコイルと共振コイルとの距離が異なる複数のループコイル層を設け、電力伝送効率が小さい場合には、最適な位置にあるループコイル層を選択的に用いることができることが特徴である。

即ち、図６に示されるように、第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃの各々は、多層共振コイル３０からの距離が異なり、かつ各々単独で駆動可能である。これにより、最終的に電力伝送効率が最も大きくなる（あるいは受電電力が大きくなる）ループコイル層のみを接続して、選択的に動作させることが可能である。

また、本実施の形態では、ループコイルと共振コイルのある程度の距離を固定するために、主基板３６には、その両側に、第１共振コイル層３２ａの銅薄膜パターン３４ａと、第１ループコイル層３３ａの銅薄膜パターン３５ａが配置されている。

第１〜第４共振コイル層３２ａ〜３２ｄの銅薄膜パターン３４ａ、３４ｂ、及び第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃの銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃは、以下のようにして形成することができる。すなわち、主基板３６は、熱ナノインプリント装置を用いて両面一体成型を行い、樹脂基板に凹部を形成する。そして、形成された凹部にのみ銅薄膜パターン３４ａ、３５ａを、めっき法等により形成する。これにより、銅薄膜パターン３４ａと銅薄膜パターン３５ａの層方向の位置合わせが容易となる。主基板３６としては、例えば、厚さ約１ｍｍの樹脂基板を用いる。このように熱ナノインプリント装置で主基板３６に凹部を形成し、この中にのみ銅薄膜パターンを形成することで、同一平面上の隣接する銅薄膜パターン同士の渦電流損失を小さくすることができる（コイル埋め込み型）。

また、第２、第３ループコイル層３３ｂ、３３ｃを形成する薄膜基板３８、３９の厚さは、例えば〜１００μｍとする。但し、目的や用途に応じて薄膜基板の厚さは変えても良い。層方向への渦電流の影響を少なくするために、層方向に隣接する第１〜第３ループコイル層３３ａ〜３３ｃの銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃは、重ならないように半径方向においてずらして形成されている。また、ループコイルと共振コイルとの間に金属等（ループコイルも）があると伝送効率が悪くなるので、ループコイルの銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃは、第１〜第４共振コイル層３２ａ〜３２ｄの銅薄膜パターン３４ａ、３４ｂと同じ形成半径とならないように設定されている。層方向で銅薄膜パターンが重ならないように、銅薄膜パターンの半径方向の幅も考慮に入れることが望ましい。

上記構成においては、送電側のループコイルを多層化した例を説明したが、場合によっては受電側のループコイルも多層にしてもよい。その方が正確な調整が可能である。

上述のように、３層の多層ループコイル３１を用いた場合における、銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃを選択する機能を備えた送電装置の概略構成を、図９に断面で示す。同図は、図８のＣ−Ｃ断面に対応する。図示の判り易さを考慮して、多層共振コイル３０の共振コイル層は１層のみ示した。銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃ（第１〜第３ループコイル層）の下部には、接続カバー４０が装着されている。

接続カバー４０には、接続線４１及び外部端子４２が設けられ、接続線４１により、銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃの端子ｘ１、ｙ１、ｚ１と外部端子４２が接続されている。端子ｘ２、ｙ２、ｚ２（図８参照）についても同様である。外部端子４２は選択回路４３と接続されている。選択回路４３は高周波電力ドライバー５に接続され、銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃに対して選択的に高周波電力を供給する。

これにより、送電装置と受電装置を最初に設置した時、あるいは再調整する時には、例えば高周波電力ドライバー５から電力を銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃに個別に供給してゆく。その時の受電電力量が一番大きくなる銅薄膜パターン３５ａ〜３５ｃを、選択回路４３により自動的に選ぶように構成される。

本実施の形態によれば、薄膜基板を積層することによりループコイルを多層化し、必要に応じて適切な距離に配置されたループコイルを選択することにより、従来技術に比べて、共振コイル間が変化した時の調整回路が簡単となる。しかも、ループコイルの移動に機構系が不要であり、安価な非接触電力伝送装置を得ることが可能である。

以上のように、本発明によれば、薄膜基板を用いて形成された共振コイル層を多数層積層したコイル装置において、隣接するコイル間での渦電流の発生を低減させることができ、渦電流損失による発熱が抑制される。また、送電側の共振コイルと受電側の共振コイルとの距離が多少変化した場合にも、多層ループコイルを形成しているループコイル層を適宜選択することにより、簡単な調整で電力伝送効率を最適化することができる。その結果、確実な磁界共鳴による非接触電力伝送に適したコイル装置を得ることが可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本発明のコイル装置は、コイルパターン間に発生する渦電流損失が低減されるので、携帯電話やデジタルカメラ等のモバイル機器、ＴＶや電気自動車などへの非接触電力伝送装置に好適である。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ａ、３ｂ ループコイル
４ａ、４ｂ 共振コイル
５ 高周波電力ドライバー
６ 交流電源
７ 整流器
８ 負荷
１０、２０、３０ 多層共振コイル
１１ａ〜１１ｄ、２１ａ〜２１ｄ、３２ａ〜３２ｄ 第１〜第４共振コイル層
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ 銅箔パターン
１３、３６ 主基板
１４ 保護層
１５、３７、３８、３９ 薄膜基板
１６、１８、２４、２６ 切り替え領域
１７ａ、１９ａ、２５ａ、２７ａ 外端
１７ｂ、１９ｂ、２５ｂ、２７ｂ 内端
２３ 絶縁層
３１ 多層ループコイル
３３ａ〜３３ｃ 第１〜第３ループコイル層
３４ａ、３４ｂ、３５ａ〜３５ｃ 銅薄膜パターン
４０ 接続カバー
４１ 接続線
４２ 外部端子
４３ 選択回路

Claims (12)

1. 共振コイルを含む送電コイルと、共振コイルを含む受電コイルとを用い、前記共振コイル間の磁界共鳴を利用して、前記送電コイルから前記送電コイルに電力を伝送する非接触電力伝送に用いる前記受電コイルまたは前記送電コイルの少なくとも一方を構成するコイル装置であって、
   前記共振コイルは、基板の表面部に平面コイル状の銅パターンを有する共振コイル層を複数層積層して構成され、前記共振コイル層の各々の前記銅パターンが全体として連続したコイルを形成するように互いに接続され、
   各々の前記共振コイル層の前記銅パターンは、隣接する前記共振コイル層の前記銅パターンに対して、径方向においてずらして配置されていることを特徴とするコイル装置。
2. 各々の前記共振コイル層には、１ループの同心円状の前記銅パターンが１ターン形成され、
   奇数層の前記共振コイル層における前記銅パターンの半径をＲ１、偶数層の前記共振コイル層における前記銅パターンの半径をＲ２、前記銅パターンの幅をｄとしたとき、
   ｜Ｒ１−Ｒ２｜＞ｄを満足する請求項１記載のコイル装置。
3. 各々の前記共振コイル層には、１ループの同心円状の前記銅パターンが渦巻き状にｎターン（ｎは２以上の整数）形成され、
   奇数層（または偶数層）の前記共振コイル層における前記銅パターンについて、各ターンの半径をＲｊａ（ｊは１〜ｎまでの整数）と記述し、偶数層（または奇数層）の前記共振コイル層における前記銅パターンについて、各ターンの半径をＲｊｂと記述し、ｊは最外周ターンを１として内周側へ向かって増加するものとしたとき、
   Ｒｊａ＞Ｒｊｂ＞Ｒ（ｊ＋１）ａ＞Ｒ（ｊ＋１）ｂ（但し、ｊは１〜（ｎ−１））
   の条件を満足する請求項１記載のコイル装置。
4. Ｒｊｂ＝（（Ｒｊａ＋Ｒ（ｊ＋１）ａ）／２、及び
   Ｒ（ｊ＋１）ａ＝（（Ｒｊｂ＋Ｒ（ｊ＋１）ｂ）／２、（但し、ｊは１〜（ｎ−１））
   の条件を満足する請求項３記載のコイル装置。
5. 前記銅パターンの幅をｄとしたとき、
   （Ｒｊａ−Ｒ（ｊ＋１）ａ）＞２ｄ、（但し、ｊは１〜（ｎ−１））
   の条件を満足する請求項４記載のコイル装置。
6. 各ターンごとに前記銅パターンの半径を変更するための切り替え部が設けられた請求項３記載のコイル装置。
7. 前記共振コイルに隣接して配置されたループコイルを備え、
   前記ループコイルは、基板の表面部に平面コイル状の銅パターンを有するループコイル層を少なくとも一層用いた積層構造を有して、前記共振コイルに積層されており、
   前記ループコイルと前記共振コイルが隣接する部分における前記共振コイル層と前記ループコイル層は、共通の前記基板の両面に対向して各々形成されている請求項１記載のコイル装置。
8. 前記ループコイルは、複数の前記ループコイル層の積層体であり、各層の前記ループコイル層の前記銅パターンは、互いに電気的に分離されている請求項７記載のコイル装置。
9. 前記ループコイル層の各々の前記銅パターンの直径は、前記共振コイルから遠くなる程、小さくなるように設定されている請求項８記載のコイル装置。
10. 前記ループコイル層の各々の前記基板の直径は、前記共振コイルから遠くなる程、小さくなるように設定されている請求項９記載のコイル装置。
11. 共振コイルを含む送電コイルを備えた送電装置と、共振コイルを含む受電コイルを備えた受電装置とを用い、前記受電コイル及び前記送電コイルの前記共振コイル間の磁界共鳴を利用して、前記送電装置から前記受電装置に電力を伝送する非接触電力伝送装置であって、
    前記受電コイルまたは前記送電コイルの少なくとも一方は、請求項１〜１０のいずれか１項記載のコイル装置を用いて構成されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
12. 前記コイルに含まれる前記ループコイルは、複数の前記ループコイル層の積層体であり、各層の前記ループコイル層の前記銅パターンは、互いに電気的に分離され、
    複数の前記ループコイル層のうちのいずれか一つを選択的に動作させて、送電または受電を行うように構成された請求項１１記載の非接触電力伝送装置。

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