JP2019080020A - コイル - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗値を小さくできるコイルを提供すること。【解決手段】本発明に係るコイル１００は、直線部１、１１、１２と湾曲部を備え、湾曲部が複数の線路２１〜２３に分岐されており、複数の線路２１〜２３の一端は直線部１、１１、１２に接続され、複数の線路２１〜２３の線路長は略等しい。本発明によれば、コイルは、とりわけ線路断面積における電流密度の偏りが生じやすい湾曲部が複数の線路に分岐されている。さらに、複数の線路の線路長は略等しい。その結果、湾曲部での電流密度の偏りが抑制されるので、コイルの抵抗値を小さくすることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルに関するものである。

近年、ケーブル等の機械的接触なしで電力を送電するために、相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルの間の電磁誘導作用を利用したワイヤレス電力伝送技術が注目されており、モバイル機器に搭載された二次電池を充電するための給電装置としての利用の拡大が見込まれている。

このようなモバイル機器に搭載されるワイヤレス電力伝送用のコイルにおいては、小型化や軽量化が求められる。

そこで、例えば特許文献１に開示されるような、磁気シートや平面コイルをモジュール化したコイルモジュールが開発されている。

特開２００８-３００３９８号公報

しかしながら、特許文献1に開示されるような単線コイルでは、線路断面積における電流密度の偏り大きく、その結果、コイルの抵抗値が増加することで熱損失が増加することが問題であった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、平面コイルに適用可能であって、線路断面積における電流密度の偏りを小さくし、その結果として抵抗値を小さくできるコイルの提供を目的とする。

本発明に係るコイルは、直線部と湾曲部を備えるコイルであって、湾曲部が複数の線路に分岐されており、複数の線路の一端は直線部に接続され、複数の線路の線路長は略等しいことを特徴とする。

本発明によれば、コイルは、とりわけ線路断面積における電流密度の偏りが生じやすい湾曲部が複数の線路に分岐されている。さらに、複数の線路の線路長は略等しい。その結果、湾曲部での電流密度の偏りが抑制されるので、コイルの抵抗値を小さくすることができる。

好ましくは、複数の線路は、互いに異なる層に構成されており、異なる層同士は間に絶縁層を介して構成されているとよい。この場合、分岐された各複数の線路を略同形状とすることができるため、より電流密度の偏りを抑制し、コイルの抵抗値を小さくすることができる。

好ましくは、複数の線路の一端は、それぞれ直線部の異なる位置に接続されているよい。この場合、直線部と複数の線路との接続部分における電流密度の偏りを小さくすることができるため、よりコイルの抵抗値を小さくすることができる。

好ましくは、コイルの一方の端部と他方の端部とは、それぞれ直線部で構成されており、一方の端部と他方の端部とは異なる層に構成されているとよい。この場合、平面コイルの内側の端部からコイル外側に引き出される引き出し線路を直線とすることができるため、よりコイルの抵抗値を小さくすることができる。

以上のように、本発明によれば、コイルの抵抗値を小さくすることができる。

本発明の好適な実施形態に係るコイルが適用されるワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。 本発明の好適な実施形態に係るコイルの線路を示す上面図である。 図２に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルの線路のＩ−Ｉ線に沿う断面を絶縁体とともに示す断面図である。 比較例のコイルの線路を示す上面図である。 本発明の好適な実施例と比較例の各周波数におけるコイル抵抗値測定結果において、実施例と比較例の抵抗値の割合を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルが適応されるワイヤレス電力伝送装置の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルが適用されるワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。

ワイヤレス電力伝送装置は、電源ＰＷと、インバータＩＮＶと、送電コイルＬｔと、受電コイルＬｒと、整流回路ＤＢと、を有する。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置をモバイル機器の充電に適応した場合、電源ＰＷと、インバータＩＮＶと、送電コイルＬｔはモバイル機器外部の送電設備に配置され、受電コイルＬｒと、整流回路ＤＢはモバイル機器に搭載される。

電源ＰＷは、直流電力を後述するインバータＩＮＶに供給する。電源ＰＷとしては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などが挙げられる。

インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換し、送電コイルＬｔに供給する。インバータＩＮＶとしては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。

送電コイルＬｔは、インバータＩＮＶから供給される交流電力により、周囲に交流磁界を発生させる。なお、インバータＩＮＶと送電コイルＬｔとの間には、力率改善などを目的として、コンデンサ（図示しない）が直列、または、並列、またはその両方に挿入されてもよい。

受電コイルＬｒは、送電コイルＬｔと磁気的に結合し、送電コイルＬｔが発生する磁界により生じる起電圧によって、整流回路ＤＢに電力を供給する。なお、受電コイルＬｒと整流回路ＤＢとの間には、インピーダンスマッチングなどを目的として、コンデンサ（図示しない）が直列、または、並列、またはその両方に挿入されてもよい。

整流回路ＤＢは、受電コイルＬｒが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有している。整流回路ＤＢとしては、ダイオードブリッジを用いた全波整流機能と、コンデンサ及び三端子レギュレータを用いた電力平滑化機能を備えた変換回路などが挙げられる。この整流回路ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。ここで、負荷Ｒとしては、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置をモバイル機器の充電に適応した場合、モバイル機器が有する二次電池などが挙げられる。

続いて、図２および図３を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイル１００を説明する。図２は本発明の好適な実施形態に係るコイルの線路を示す上面図である。図３は図２に示した本発明の好適な実施形態に係るコイルの線路におけるＩ−Ｉ線に沿う断面を絶縁体とともに示す断面図である。なお、本発明の好適な実施形態に係るコイル１００は、前述の送電コイルＬｔに適用されてもよく、前述の受電コイルＬｒに適用されてもよい。

コイル１００は導体の線路が平面上に巻回された平面コイルである。このような平面コイルは、絶縁被覆された導線を巻回して構成されるものでもよく、導体層のエッジングや、メッキ、プリントなどによりパターン構成されるものでもよい。コイル１００の線路は、図２に示すように、直線部１、１１、１２と湾曲部の複数の線路２１〜２３を含む巻回部分と、引出し線路３１、３２により構成されている。

巻回部分の湾曲部は複数の線路２１〜２３に分岐され、複数の線路２１〜２３の一端は直線部１、１１、１２に接続されており、複数の線路２１〜２３の線路長は等しい。具体的には、本実施形態においては、全ての湾曲部はそれぞれ複数の線路２１〜２３に分岐されており、分岐された複数の線路２１〜２３の端部はそれぞれ同一の直線部１、１１、１２に接続されている。また、同一の直線部１、１１、１２に接続される複数の線路２１〜２３の線路長は等しい。つまり、とりわけ線路断面積における電流密度の偏りが生じやすい湾曲部が複数の線路２１〜２３に分岐されており、さらに、同一の直線部１、１１、１２に接続される複数の線路２１〜２３の線路長は略等しいので、湾曲部での電流密度の偏りが抑制され、コイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

本実施形態においては、湾曲部は３本の線路２１〜２３に分岐されているが、本発明に係るコイル１００の複数の線路の本数はこれに限定されず、分岐本数が２本以上であれば、コイル１００の抵抗値を小さくする効果が得られる。なお、本実施形態においては、複数の線路２１〜２３の厚みは直線部１、１１、１２と同じであり、各複数の線路２１〜２３の幅は、直線部１、１２、１３の幅の略1／３となっている。この場合、湾曲部の線路を分岐せず直線部１と同じ線路断面で構成される一般的な平面コイルと比べて、線路導体の使用量を増加させることなく、コイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

図３に示すように、複数の線路２１〜２３は、互いに異なる層に構成されており、異なる層同士は間に絶縁層４を介して構成されている。具体的には、巻回部分の導体は３層構造となっており、線路２１は１層目に構成され、線路２２は２層目に構成され、線路２３は３層目に構成されている。なお、コイル最内に位置する直線部１２を除く直線部１、１１は、２層目に構成されており、コイル最内に位置する直線部１２は３層目に構成されている。また、１層目の線路２１と２層目の線路２２および直線部１、１１との間、および、２層目の線路２２および直線部１、１１と３層目の線路２３およびコイル最内に位置する直線部１２との間に絶縁層４が挿入されている。この場合、複数の線路２１〜２３のそれぞれは間に絶縁体４を介した異なる層に構成されるため、同一の直線部１、１１、１２に接続される複数の線路２１〜２３を略同形状とすることができる。その結果、より電流密度の偏りを抑制し、コイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

なお、本実施形態においては、導体は３層構成となっているが、複数の線路の分岐本数が３本でない場合には、導体の層数は複数の線路の分岐本数と同じとすればよい。

このような互いに異なる層に構成される複数の線路２１〜２３、直線部１、１１、１２の作製方法としては、各層ごと別々に作製された線路を積層する方法などが挙げられる。具体的には、１層目として線路２１を作製し、２層目として線路２２、直線部１、１１を作製し、３層目として線路２３、コイル最内の直線部１２を作製し、１層目、絶縁層４、２層目、絶縁層４、３層目の順に積層すればよい。ここで、それぞれ異なる層に構成される線路２１の端部と直線部１、１１、１２の端部、および、線路２３の端部と直線部１、１１の端部、および、線路２１、２２の端部とコイル最内の直線部１２の端部は、積層したとき、上面から見て、それぞれが重なり合うように構成され、積層後にスルーホールを打ち込むなどして電気的に接続されればよい。なお、この作製方法の場合、あらかじめ２層目に引出し線路３１も作製し、また、３層目に引出し線路３２も作製しておけば、コイル１００の作製はより容易となる。

本実施形態においては、複数の線路２１〜２３は、それぞれ直線部１、１１、１２の異なる位置に接続されている。具体的には、コイル１００を上面から見たとき、線路２１の一端は直線部１、１１、１２のコイル外側に接続されており、線路２１の他端は直線部１、１１、１２のコイル内側に接続されている。また、線路２３の一端は直線部１、１１、１２のコイル内側に接続されており、線路２３の他端は直線部１、１１、１２のコイル外側に接続されている。さらに、線路２２の両端は、線路２１と直線部１、１１、１２との接続部と、線路２３と直線部１、１１、１２との接続部の間で、直線部１、１１、１２に接続されている。この場合、直線部と複数の線路との接続部分における電流密度の偏りを小さくすることができるため、よりコイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

コイル巻線部分の一方の端部と他方の端部とは、それぞれ直線部１１、１２で構成されており、一方の端部と他方の端部とは異なる層に構成されている。具体的には、一方の端部はコイル最外の直線部１１であり、２層目に構成されている。また、他方の端部はコイル最内の直線部１２であり、３層目に構成されている。ここで、その他の直線部１はコイル最外の直線部１１と同じく２層目に構成されている。したがって、コイル上面から見て直線部１と重なり合う方向に、コイル１００の内側から外側に引き出される引き出し線路３２（３層目）は層間を遷移させる必要がなく、直線とすることができる。その結果、よりコイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

なお、コイル１００に印加される電圧が高くなる場合には、直線部１、１１は１層目に構成されてもよい。また、複数の線路の分岐本数、および、線路を構成する互いに異なる層の数が４以上の場合には、コイル最内の直線部１２、引出し線路３２はさらに異なる層に構成されてもよい。この場合、 電位差が大きくなる直線部１、１１と引出し線路３２との間距離がより大きくなるとともに、両者の間に配置される絶縁層の層数が多くなるので、コイルの耐電圧特性を向上させることができる。

コイル１００は線路の背面に磁性体を備えても良い。この場合、より効率よく磁界を発生する効果や、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒとの磁気結合を高める効果があるため、より効率よく電力を伝送することができる。磁性体は比較的透磁率の高いフェライトなどの材料を含む構成が望ましい。なお、ここで言う「背面」とは、コイル１００が対向することとなる受電コイルＬｒ、または、送電コイルＬｔとは反対側面を指す。また、コイル線路と磁性体との間に絶縁シートが挿入されてもよい。

以上のように、本実施形態に係るコイル１００は、直線部１、１１、１２と湾曲部を備えるコイルであって、湾曲部が複数の線路２１〜２３に分岐されており、複数の線路２１〜２３の一端は直線部１、１１、１２に接続され、複数の線路２１〜２３の線路長は等しいため、湾曲部での電流密度の偏りが抑制されるので、コイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

また、複数の線路は２１〜２３、互いに異なる層に構成されており、異なる層同士は間に絶縁層４を介して構成されているため、複数の線路２１〜２３を略同形状とすることができる。その結果、より電流密度の偏りを抑制し、コイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

また、複数の線路２１〜２３は、それぞれ直線部１、１１、１２の異なる位置に接続されているので、直線部１、１１、１２と複数の線路２１〜２３との接続部分における電流密度の偏りを小さくすることができ、よりコイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

また、コイル１００の一方の端部と他方の端部とは、それぞれ直線部１１、１２で構成されており、直線部１１と直線部１２とは異なる層に構成されているため、コイルの内側の端部からコイル外側に引き出される引き出し線路３２を直線とすることができる。その結果、よりコイル１００の抵抗値を小さくすることができる。

以下、本発明の効果を具体的な実施例、および、比較例を用いて示す。

実施例としては、本発明の好適な実施形態として説明した、図２、および、図３に示すコイル１００を用いた。導体線路は全て厚み０．０５ｍｍの銅で構成され、絶縁層は厚み０．０３ｍｍのポリイミドフィルムを用いて構成した。直線部１は長さ３ｍｍ、幅１ｍｍとし、隣り合う直線部１、１１、１２との線間ギャップは０．１ｍｍとした。湾曲部である複数の線路２１〜２３はいずれも幅０．３３ｍｍの半円弧形状であり、コイル最内（コイル最内の直線部１２に接続される）複数の線路２１〜２３は半径１０ｍｍの半円弧となっている。引出し線路３１、３２は幅１ｍｍとした。

上記のコイル線路の背面には、厚み０．０３ｍｍの絶縁シートを介して、厚み１ｍｍ程度の磁性体シートを設置した。磁性体シートはフェライトなどの磁性粉末が充填されたものであり、実効的な比透磁率は５００程度である。

比較例としては、図４に示すような巻回部分の線路を有するコイル２００を用いた。以下、実施例との相違点を説明する。湾曲部の線路は分岐されず、直線部と同じ幅１ｍｍの線路で構成した。巻回部分の線路は全て同じ層に構成されている。すなわち、巻回部分の線路の断面形状は一様である。ただし、図５には図示していないが、巻回部分のコイル内側から外側に引き出されるに引出し線路は、コイル上面から見て巻回部分の直線部と重なり合う部分においては、厚み０．０３ｍｍの絶縁層を間に介した異なる層に遷移するように構成されている。

上記実施例のコイル１００と、比較例のコイル２００の抵抗値をそれぞれＬＣＲメータにより測定した。ＬＣＲメータの２つの接続端子を、それぞれ２つの引出し線路３１、３２の巻回部分とは逆側の端付近に接続し、ＬＣＲメータによりコイルに０．１Ｖ（１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の電圧を印加することで抵抗値を測定した。

１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚの各周波数で抵抗値測定を行い、比較例のコイル２００の抵抗値を基準とした場合の実施例のコイル１００の抵抗値の割合を算出した。算出された各周波数における実施例と比較例の抵抗値の割合を図５に示す。測定周波数範囲１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの全てにおいて、実施例の抵抗値は比較例の抵抗値より小さいことが確認される。とりわけ、測定周波数５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚでは、実施例の抵抗値は、比較例に比べ１０％以上小さくなっている。以上のように、本発明によりコイルの抵抗値を小さくできることが確認された。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

ＰＷ…電源、ＩＮＶ…インバータ、Ｌｔ…送電コイル、Ｌｒ…受電コイル、ＤＢ…整流回路、Ｒ…負荷、１…直線部、１１…コイル最外の直線部、１２…コイル最内の直線部、２１〜２３…複数の線路、３１、３２…引出し線路、４…絶縁層、１００、２００…コイル。

Claims (4)

1. 直線部と湾曲部を備えるコイルであって、
   前記湾曲部が複数の線路に分岐されており、
   前記複数の線路の一端は前記直線部に接続され、
   前記複数の線路の線路長は略等しいことを特徴とするコイル。
2. 前記複数の線路は、互いに異なる層に構成されており、
   前記異なる層同士は間に絶縁層を介して構成されていることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
3. 前記複数の線路の一端は、それぞれ前記直線部の異なる位置に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコイル。
4. 前記コイルの一端と他端はそれぞれ前記直線部で構成されており、前記一端の直線部と前記他端の直線部とは異なる層に構成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のコイル。
   

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