JP2015012137A - 電力伝送コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】製作が容易で小型な電力伝送コイルユニットを提供する。【解決手段】電力伝送コイルユニットＣＵは、第１層１０、第２層２０、及び、第１層１０と第２層２０の間に第３層３０が形成された３層構造をなしている。第１層１０及び第２層２０は、誘電正接の小さいガラスフッ素基板にて形成されている。第３層３０は、ガラスフッ素基板よりも誘電正接の大きいガラスエポキシ基板にて形成されている。第１層１０の第１面１１には、第１銅箔１３よりなる渦巻き形状の第１コイルＣ１が形成される。第２層２０の第１面２１には、第２銅箔２３よりなる渦巻き形状の第２コイルＣ２が形成される。第１及び第２コイルＣ１．Ｃ２の内側端部Ｃ１ｂ，Ｃ２ｂはそれぞれ開放端となっている。第１及び第２コイルＣ１．Ｃ２の外側端部Ｃ１ａ，Ｃ２ａはそれぞれ外部接続端子ＰＬに接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電力伝送コイルユニットに関するものである。

近年、磁界共鳴式の非接触給電装置が注目されている。磁界共鳴式の非接触給電装置は、電力伝送距離が長いこと、給電コイルと受電コイルの平面上の位置ずれに強いこと、異物の介在に強いこと等で優れていることが知られている。

ところで、この磁界共鳴式の非接触給電装置に用いられる給電コイル及び受電コイルにおいて、スパイラル状（渦巻き状）に施したコイルが、ヘリカル状に施したコイルよりサイズを小型化できるということから注目されている（特許文献１、特許文献２）。

特に、特許文献２においては、スパイラル状（渦巻き状）に施した給電コイル（受電コイル）のコイルサイズをより小さくするために、スパイラル状（渦巻き状）に形成された給電コイルの中心部にコンデンサを配置するスペースを設ける。そして、そのスペースにコンデンサを配置し、該コンデンサと給電コイルを直列に接続し、キャパシタンスを増加させている。

つまり、磁界共鳴式では、給電コイルと受電コイルとの間での共振周波数（ｆ＝１／２π√ＬＣ）は、コイルのインダクタンス値（Ｌ）とキャパシタンス値（Ｃ）で決まる。そして、その共振周波数を一定に保持した状態で小型化を図るべくコイルサイズを小さくした場合、コイルのインダクタンス値が小さくなる分、キャパシタンス値を大きくする必要がある。そこで、キャパシタンス値を大きくするために、コイルに対してコンデンサを直列に接続してそのキャパシタ値を増加させてこれを補償している。

特開２０１０−７３９７６号公報 特開２０１２−２３５６３０号公報

ところで、特許文献２においては、スパイラル状（渦巻き状）に施した給電コイル（受電コイル）のコイルサイズを小さくできるものの、コンデンサという新たな素子を、給電コイル（受電コイル）の中心部に形成したスペースにコンデンサを配置する。そして、給電コイル（受電コイル）に対してコンデンサを直列に接続しなければならず製作工程が複雑かつ面倒であった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、製作が容易で小型な電力伝送コイルユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電力伝送コイルユニットは、渦巻き形状の第１導電パターンをなす第１コイルを形成した誘電性基材よりなる第１層と、前記第１導電パターンと同じ渦巻き形状の第２導電パターンをなす第２コイルを形成した誘電性基材よりなる第２層と、前記第１層と第２層との間に配置され、誘電正接が前記第１及び第２層の誘電正接より大きい第３層とからなることを特徴とする。

また、上記構成において、前記第１コイルの第１導電パターンと前記第２コイルの第２導電パターンは、前記第１層から前記第２層を透視して見たとき、互いに異なる方向に巻かれた渦巻き形状であり、前記１及び第２コイルの内側端部は、それぞれ開放端であり、前記１及び第２コイルの外側端部は、それぞれ外部接続端子に接続されることが好ましい。

また、上記構成において、前記第１層及び第２層は、ガラスフッ素基板よりなり、第３層は、ガラスエポキシ基板よりなることが好ましい。
また、上記構成において、前記第３層は、空気層であり、前記第１層と前記第２層とを間隔保持部材にて間隔保持して形成したことが好ましい。

また、上記構成において、前記第１層又は前記第２層の一方の層に近接する位置に、前記層に相対向するように磁性体板を配置したことが好ましい。
また、上記構成において、前記磁性体板であって前記近接する層の反対側の面に、導電性膜を形成したことが好ましい。

本発明によれば、製作が容易で小型な電力伝送コイルユニットを実現できる。

電力伝送コイルユニットの全体斜視図。 電力伝送コイルユニットの断面図。 （ａ）第１基板の第１面から見た正面図、（ｂ）は第１基板の断面図。 （ａ）第２基板の第１面から見た正面図、（ｂ）は第２基板の断面図。 電力伝送コイルユニットの別例を示す図。 電力伝送コイルユニットの別例を示す図。 電力伝送コイルユニットの別例を示す図。

以下、電力伝送コイルユニットの一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、電力伝送コイルユニットＣＵを示し、磁界共鳴方式の非接触給電システムの給電側の電力伝送コイルユニット並びに受電側の電力伝送コイルユニットのいずれにも使用される。

図１及び図２に示すように、電力伝送コイルユニットＣＵは、第１層１０、第２層２０、及び、第１層１０と第２層２０の間に形成された第３層３０とからなる３層構造をなしている。

第１〜第３層１０，２０，３０は、いずれも四角形状の誘電性基板にて形成されている。詳述すると、第１層１０及び第２層２０は、誘電正接の小さいガラスフッ素基板（誘電性基材）にて形成されている。一方、第３層３０は、ガラスフッ素基板よりも誘電正接の大きいガラスエポキシ基板にて形成されている。そして、３層構造をなす第１〜第３層１０，２０，３０は、接着剤にて互いに接着されている。

第１層１０には、渦巻き形状の第１コイルＣ１が形成されている。また、第２層２０には、渦巻き形状の第２コイルＣ２が形成されている。ここで、説明の便宜上、第１層１０であって第３層３０と反対側の平面を第１面１１とし、第１層１０であって第３層３０と当接している側の平面を第２面１２とする。また、第２層２０であって第３層３０と反対側の平面を第１面２１とし、第２層２０であって第３層３０と当接している側の平面を第２面２２とする。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、第１層１０の第１面１１には、第１銅箔１３よりなる渦巻き形状の第１コイルＣ１が形成されている。第１銅箔１３は、印刷技術や成膜技術を使って第１層１０の第１面１１に形成される。

第１銅箔１３よりなる第１コイルＣ１は、そのコイルパターンが、図３（ａ）おいて、外側端部Ｃ１ａから時計回り方向（右回り）に８．５周、回って内側端部Ｃ１ｂに至る、所謂アルキメデスの渦巻き形状である。図３（ｂ）に示すように、第１コイルＣ１のコイルパターンは、そのパターン幅Ｄ１は３ｍｍ、ピッチＤ２を４ｍｍとしている。

第１コイルＣ１の外側端部Ｃ１ａには、第１面１１の一側辺に向かって引き出し部Ｃ１ｃが延出形成されている。そして、その引き出し部Ｃ１ｃはＳＭＡ型同軸コネクタ等の外部接続端子ＰＬに接続されている。また、第１コイルＣ１の内側端部Ｃ１ｂは、開放端となっている。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、第２層２０の第１面２１には、第２銅箔２３よりなる渦巻き形状の第２コイルＣ２が形成されている。第２銅箔２３は、印刷技術や成膜技術を使って第２層２０の第１面２１に形成される。

第２銅箔２３よりなる第２コイルＣ２は、そのコイルパターンが、図４（ａ）おいて、外側端部Ｃ２ａから時計回り方向（右回り）に８．５周、回って内側端部Ｃ２ｂに至る、所謂アルキメデスの渦巻き形状である。図４（ｂ）に示すように、第２コイルＣ２のコイルパターンは、そのパターン幅Ｄ１は３ｍｍ、ピッチＤ２を４ｍｍとしている。つまり、第２層２０の第１面２１に形成された第２コイルＣ２のコイルパターンは、第１層１０の第１面１１に形成された第１コイルＣ１のコイルパターンと同一パターンとなる。

第２コイルＣ２の外側端部Ｃ２ａには、第１面２１の一側辺に向かって引き出し部Ｃ２ｃが延出形成されている。そして、その引き出し部Ｃ２ｃはＳＭＡ型同軸コネクタ等の外部接続端子ＰＬに接続されている。また、第２コイルＣ２の内側端部Ｃ２ｂは、開放端となっている。

ちなみに、第１コイルＣ１と第２コイルＣ２を第１層１０側から第２層２０側を透視して見たとき、第１コイルＣ１のパターンと第２コイルＣ２のパターンが異なる。つまり、第１コイルＣ１のコイルパターンは、第１層１０側から第２層２０側を透視して見たとき、外側端部Ｃ１ａから時計回り方向（右回り）に回って内側端部Ｃ１ｂに至るパターンとなる。これに対して、第２コイルＣ２のコイルパターンは、第１層１０側から第２層２０側を透視して見たとき、外側端部Ｃ２ａから反時計回り方向（左回り）に回って内側端部Ｃ２ｂに至るパターンとなる。

そして、第１コイルＣ１の外側端部Ｃ１ａと第２コイルＣ２の外側端部Ｃ２ａは第３層３０を挟んで相対向するとともに、第１コイルＣ１の内側端部Ｃ１ｂと第２コイルＣ２の内側端部Ｃ２ｂは第３層３０を挟んで相対向するようになっている。

次に上記のように構成した電力伝送コイルユニットＣＵの作用について説明する。
今、この電力伝送コイルユニットＣＵを、磁界共鳴式の非接触給電装置の給電用コイルとして使用した場合、電力伝送コイルユニットＣＵの外部接続端子ＰＬは、高周波発振器に接続される。そして、電力伝送コイルユニットＣＵは、外部接続端子ＰＬを介して高周波発振器からの高周波の交流電力が供給される。

一方、電力伝送コイルユニットＣＵを、磁界共鳴式の受電装置の受電用コイルとして使用した場合、電力伝送コイルユニットＣＵの外部接続端子ＰＬは、受電装置の負荷に接続される。そして、電力伝送コイルユニットＣＵは、外部接続端子ＰＬを介して高周波の交流電力を負荷に供給する。

このように使用される電力伝送コイルユニットＣＵでは、第１コイルＣ１を第１面１１に形成した第１層１０と第２コイルＣ２を第１面２１に形成した第２層２０との間に、第３層３０を形成した。その結果、この第３層３０が、コンデンサの働きをして第１コイルＣ１と第２コイルＣ２のキャパシタ値が増大する。

従って、共振周波数を一定に保持した状態で、第１コイルＣ１と第２コイルＣ２のインダクタンス値をその分だけ小さくできる。つまり、インダクタンス値を小さくできるということは、第１コイルＣ１及び第２コイルＣ２の外径を小さくできることを意味することから、電力伝送コイルユニットＣＵを小型にできる。

また、第１層１０と第２層２０との間に、誘電正接の大きいガラスエポシキ基板よりなる第３層３０を介在させ、第１及び第２層１０，２０と同じ誘電正接の小さいガラスフッ素基板を介在させなかった。つまり、第３層３０が第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２から離間していることから、第３層３０の誘電正接に起因するロスの影響が小さい。その結果、第１層１０と第２層２０との間を誘電正接の大きい第３層３０にすることが可能である。

次に、上記実施形態の効果を以下に記載する。
（１）上記実施形態によれば、第１コイルＣ１を第１面１１に形成した第１層１０と第２コイルＣ２を第１面２１に形成した第２層２０との間に第３層３０を形成したので、第１コイルＣ１と第２コイルＣ２のキャパシタ値を増大させることができる。その結果、第１コイルＣ１及び第２コイルＣ２の外径を小さくでき、電力伝送コイルユニットＣＵの小型化を実現できる。

（２）上記実施形態によれば、第１層１０と第２層２０の間にガラスエポキシ基板よりなる第３層３０を介在させるだけで、第１コイルＣ１と第２コイルＣ２が有するキャパシタ値を大きくすることかできる。すなわち、簡単かつ容易な製作工程で、第１コイルＣ１及び第２コイルＣ２の外径を小さくでき、電力伝送コイルユニットＣＵの小型化を実現できる。

（３）上記実施形態では、第１及び第２層１０，２０は、それぞれの第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２の近傍にあることから、誘電性基板の誘電正接によるロスが大きく影響する。そのため、そのロスを小さくする必要から、第１及び第２層１０，２０は、誘電性基板であって誘電正接の小さいガラスフッ素基板で形成した。

これに対して、第１層１０と第２層２０との間は、誘電性基板の誘電正接によるロスが小さい。従って、第１及び第２層１０，２０と同じ高価な誘電正接の小さいガラスフッ素基材を使わずに安価な誘電正接の大きいガラスエポキシ基板よりなる第３層３０にすることができる。その結果、安価な電力伝送コイルユニットＣＵを実現できる。

（４）上記実施形態では、第１コイルＣ１を形成した第１層１０を反転すると、第２コイルＣ２を形成した第２層２０とすることができることができる。そのため、電力伝送コイルユニットＣＵを製造する際の製造物品の点数を低減でき、安価な電力伝送コイルユニットＣＵを実現できる。

尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○上記実施形態では、第１及び第２層１０，２０を誘電正接の小さいガラスフッ素基板で実施したが、例えば塩化ビニル基板やその他誘電正接の小さい誘電性基材を用いて実施してもよい。

○上記実施形態では、第３層３０を、第１及び第２層１０，２０の誘電正接より大きい誘電正接のガラスエポキシ基板で実施したが、第１及び第２層１０，２０の誘電正接よりも大きい誘電正接のその他の誘誘電性基材を用いて実施してもよい。

また、図５で示すように、第３層３０を、ガラスエポキシ基板に代えて空気層（空間）３１にして実施してもよい。この場合、第１層１０及び第２層２０の４隅に、柱状の間隔保持部材３２が配置固定されて、第１層１０と第２層２０とが、平行にかつ一定の間隔を保持されて連結されていることによって、空気層（空間）３１が形成される。

これによって、第３層３０が空気層（空間）３１となり、誘電性基板を使用しないことがらさらなるコストダウンが図れる。
○図６に示すように、上記実施形態において、電力伝送コイルユニットＣＵの一側（図では第２層２０側）に近接する位置に、フェライト等の磁性体板４０を第２コイルＣ２と対向配置して実施してもよい。具体的には、電力伝送コイルユニットＣＵを給電用コイルとして使用する場合には、受電用コイルと反対側に位置する側に磁性体板４０を配置する。また、電力伝送コイルユニットＣＵを受電用コイルとして使用する場合には、給電用コイルと反対側に位置する側に磁性体板４０を配置する。

これによって、電力伝送コイルユニットＣＵからの輻射磁界強度を低減する効果を有する。
また、電力伝送コイルユニットＣＵの構成の１つとして磁性体板４０を組み付けることで、第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２のインダクタンス成分を増大することができる。その結果、共振周波数を一定に保持した状態で、第１コイルＣ１及び第２コイルＣ２の外径をさらに小さくでき、電力伝送コイルユニットＣＵの小型化を実現できる。

さらに、図７に示すように、図６に示す磁性体板４０であって電力伝送コイルユニットＣＵの反対側の面に、アルミ等の導電材料よりなる導電膜４１を形成してもよい。これによって、電磁シールド効果がさらに向上し、電力伝送コイルユニットＣＵからの輻射磁界強度を低減する効果を有する。

○上記実施形態において、第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２の材質、コイル径、パターン幅Ｄ１、ピッチＤ２、ターン数を適宜変更して実施してもよい。また、第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２のコイルパターンをアルキメデスの渦巻き形状にしたが、アルキメデスの渦巻き形状以外の渦巻き形状にして実施してもよい。

○上記実施形態では、第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２を第１及び第２銅箔１３，２３で形成したが、銅線等の導電線を用いて実施してもよい。この場合、第１層１０及び第２層２０に渦巻き形状の溝をそれぞれ形成する。そして、その渦巻き形状の溝に導電線を嵌め込むようにして、コイルパターンが渦巻き形状の第１及び第２コイルＣ１，Ｃ２を形成して実施してもよい。

１０…第１層、１１…第１面、１２…第２面、１３…第１銅箔、２０…第２層、２１…第１面、２２…第２面、２３…第２銅箔、３０…第３層、３１…空気層、３２…間隔保持部材、４０…磁性体板、４１…導電膜（導電性膜）、ＣＵ…電力伝送コイルユニット、Ｄ１…溝幅、Ｄ２…間隔、Ｃ１，Ｃ２…第１及び第２コイル、Ｃ１ａ，Ｃ２ａ…外側端部、Ｃ１ｂ，Ｃ２ｂ…内側端部、Ｃ１ｃ，Ｃ２ｃ…引き出し部、ＰＬ…外部接続端子。

Claims (6)

1. 渦巻き形状の第１導電パターンをなす第１コイルを形成した誘電性基材よりなる第１層と、
   前記第１導電パターンと同じ渦巻き形状の第２導電パターンをなす第２コイルを形成した誘電性基材よりなる第２層と、
   前記第１層と第２層との間に配置され、誘電正接が前記第１及び第２層の誘電正接より大きい第３層と
   からなることを特徴とする電力伝送コイルユニット。
2. 請求項１に記載の電力伝送コイルユニットにおいて、
   前記第１コイルの第１導電パターンと前記第２コイルの第２導電パターンは、前記第１層から前記第２層を透視して見たとき、互いに異なる方向に巻かれた渦巻き形状であり、
   前記１及び第２コイルの内側端部は、それぞれ開放端であり、前記１及び第２コイルの外側端部は、それぞれ外部接続端子に接続されることを特徴とする電力伝送コイルユニット。
3. 請求項１又は２に記載の電力伝送コイルユニットにおいて、
   前記第１層及び第２層は、ガラスフッ素基板よりなり、第３層は、ガラスエポキシ基板よりなることを特徴とする電力伝送コイルユニット。
4. 請求項１又は２に記載の電力伝送コイルユニットにおいて、
   前記第３層は、空気層であり、前記第１層と前記第２層とを間隔保持部材にて間隔保持して形成したことを特徴とする電力伝送コイルユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力伝送コイルユニットにおいて、
   前記第１層又は前記第２層の一方の層に近接する位置に、前記層に相対向するように磁性体板を配置したことを特徴とする電力伝送コイルユニット。
6. 請求項５に記載の電力伝送コイルユニットにおいて、
   前記磁性体板であって前記近接する層の反対側の面に、導電性膜を形成したことを特徴とする電力伝送コイルユニット。