JP5814760B2 - プリント基板の基板構造 - Google Patents

Description

本発明はプリント基板の基板構造に関し、より詳細には、基板上の複数系統の回路ごとに絶縁された電源を供給するプリント基板の基板構造に関する。

多数の部品が実装されて複数系統の回路が構成されるプリント基板では、多くの場合、回路系統ごとに絶縁された電源を使用するほうが好ましい。例えば、ＣＰＵ素子を含む制御系回路と、モータ駆動用のトランジスタ素子を含む動力系回路とを１枚のプリント基板上に構成する場合、制御系回路および動力系回路では相互に絶縁された電源を使用するほうが好ましい。仮に、絶縁されていない共通電源を用いると、トランジスタ素子でモータに流れる大電流をスイッチングした際に発生するノイズ電圧が共通電源を介してＣＰＵ素子に伝搬し、ＣＰＵ素子が誤動作するおそれが生じる。

同様に、ＣＰＵ素子を含むデジタル制御系回路と、Ａ／Ｄ変換器などを用いて微小アナログ信号を処理するアナログ系回路とを１枚のプリント基板上に構成する場合、やはり相互に絶縁された電源を使用するほうが好ましい。仮に、絶縁されていない共通電源を用いると、デジタル制御系回路内のＩＣ素子などで内部の半導体がスイッチング動作してノイズ電圧を発生させ、ノイズ電圧が共通電源を介してアナログ系回路に伝搬し、アナログ系回路の誤動作や精度低下を引き起こすおそれが生じる。

このような共通電源による誤動作や精度低下のおそれを解消するため、従来技術では絶縁トランスが多用されてきた。絶縁トランスは、電子回路の電源として一般的に用いられる直流電圧を一旦交流電圧に変換し、この交流電圧を変圧器の一次側に印加し、絶縁された二次側から誘起電圧を取り出して整流することにより第２の直流電圧を発生するものである。また、電源が相互に絶縁された回路間で信号を授受する場合には、絶縁素子が用いられてきた。絶縁素子は、入出力間の絶縁を確保しつつ信号波形を維持して伝達するものである。また、近年では、特許文献１および２に例示されるように、高周波を用いた非接触給電技術が提案されており、プリント基板の電源の絶縁化への応用が期待されている。非接触給電技術には、大きく分けて電界結合方式と電磁誘導方式がある。

特許文献１に開示されたエネルギー搬送装置は、主として２つの離れた能動電極間に容量結合が存在し、これらの電極が強い電位にされ、強い場のゾーンがこれらの電極間に位置する空間に限定されることを特徴としている。さらに、請求項２には、能動電極が高圧高周波発生器に結合され、電位エネルギーが電極間の空間に供給される態様が示されている。これにより、遠隔エネルギー伝送を行うことができる。特許文献１は、電界結合方式の非接触給電技術の一例を示している。

また、特許文献２の請求項１には、電気エネルギーをある距離に伝達する方法が開示されている。この方法は、複数のサブ電極にセグメント化された能動電極および受動電極からなる第１の組の電極を含む発生器装置を供給するステップと、能動電極および受動電極からなる第２の組の電極を含む負荷装置を供給するステップと、負荷装置の１つの能動電極を発生器装置のサブ電極の近傍に位置決めするステップと、サブ電極の近傍に強力な電界領域を形成することによって負荷装置に電気エネルギーを伝達するステップとを含んでいる。この方法は、大規模発生器が複数の小さな負荷に電流を供給する極めて非対称的な状況における用途を目的とし、小さな負荷は移動可能である、とされている（特許文献２の段落００３７参照）。特許文献２は、電界結合方式により、移動する複数の負荷に非接触で給電する技術の一例を示している。

特表２００９−５３１００９号公報 特表２０１０−５３７６１３号公報

ところで、プリント基板に用いられる電源トランスは、比較的大形の部品であるため大きな配置スペースが必要になってプリント基板の面積が大きくなる弊害が生じていた。さらに、電源トランスは高価であるので、プリント基板全体のコストがアップする要因となりがちであった。

また、特許文献１の技術は、非接触給電における電極の構造や非接触部分の絶縁性について開示しているものの、プリント基板の電源の絶縁化に適用できる具体的な構成を開示するものではない。さらに、特許文献２の技術は、複数の移動する負荷に非接触給電することを目的としており、プリント基板の電源の絶縁化には適用できない。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、従来技術と比較して電源の絶縁化に要するプリント基板上の面積を省スペース化するとともにコストを削減したプリント基板の基板構造を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係るプリント基板の基板構造の発明は、絶縁性の基材層と、前記基材層の表面に設けられた第１配線パターン層を含んで構成された第１系回路と、前記基材層の表面に前記第１配線パターン層から電気絶縁されて設けられた第２配線パターン層を含んで構成された第２系回路と、を備えたプリント基板の基板構造であって、前記基材層の一方の表面に設けられて前記第１配線パターン層に電気接続された導電性の給電パターン、および前記基材層の他方の表面に設けられて前記第２配線パターン層に電気接続されるとともに前記基材層を挟んで前記給電パターンに対向する導電性の受電パターンをそれぞれ有し、前記給電パターンと前記受電パターンとの間に形成される電界を介して高周波電力の給電が可能となっている２組の非接触給電部と、前記第１系回路内に設けられて２つの給電パターンの間に高周波電力を給電する給電回路と、前記第２系回路内に設けられて２つの受電パターンの間に非接触給電された高周波電力を変成し前記第２系回路内の負荷に給電する受電回路と、をさらに備える。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記基材層の前記給電パターンと前記受電パターンとの間に介在する領域の基材厚さが薄くされている。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記基材層の前記給電パターンと前記受電パターンとの間に介在する領域に高い誘電率を有する絶縁性材料が用いられている。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記給電回路と前記２組の非接触給電部と前記受電回路とにより形成される閉回路内に設けられ、前記閉回路のインピーダンスを最小に調整するインピーダンス調整素子をさらに備える。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記プリント基板は複数の基材層が重ね合わせられて構成され、いずれかの基材層の一方の表面に前記給電パターンが設けられ他方の表面に前記受電パターンが設けられている。

請求項１に係るプリント基板の基板構造の発明では、給電パターンおよび受電パターンをそれぞれ有する２組の非接触給電部と、２つの給電パターンの間に高周波電力を給電する給電回路と、２つの受電パターンの間に非接触給電された高周波電力を変成して負荷に給電する受電回路と、により電界結合方式の非接触給電機構が構成される。非接触給電機構では、非接触給電部がコンデンサになり電界が形成されて高周波電流が流れ、非接触で第２系回路内の負荷に電源を供給できる。ここで、第２系回路の負荷の電源と第１系回路の電源とは相互に絶縁されており、第１系および第２系回路の相互間の電圧ノイズの伝搬が抑制される。したがって、従来技術で用いていた絶縁トランスが不要になり、絶縁トランスの配置スペース分だけプリント基板を省スペース化できる。また、絶縁トランスのコスト分だけプリント基板のコストを削減できる。

請求項２に係る発明では、基材層の給電パターンと受電パターンとの間に介在する領域の基材厚さが薄くされている。これにより、給電パターンと受電パターンとで構成されるコンデンサの電極間距離が小さくなって静電容量が増加し、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項３に係る発明では、基材層の給電パターンと受電パターンとの間に介在する領域に高い誘電率を有する絶縁性材料が用いられている。これにより、給電パターンと受電パターンとで構成されるコンデンサの電界形成領域の誘電率が大きくなって静電容量が増加し、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項４に係る発明では、インピーダンス調整素子は、給電回路と２組の非接触給電部と受電回路とにより形成される閉回路のインピーダンスを最小に調整する。したがって、閉回路では直列共振が発生して大きな高周波電流が流れ、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

請求項５に係る発明では、プリント基板は複数の基材層が重ね合わせられて構成され、いずれかの基材層の一方の表面に給電パターンが設けられ他方の表面に受電パターンが設けられている。本発明は、複数の基材層からなる多層プリント基板でも実施でき、請求項１〜４と同様の効果が生じる。

第１実施形態のプリント基板の基板構造の構成を模式的に示す図であり、（１）はプリント基板を上方から見た上面の平面図および下面の透視平面図、（２）はプリント基板を側方から見た図である。 第１実施形態のプリント基板の基板構造における電源系統の構成を示す回路図である。 第１および第２非接触給電部が構成する平行板コンデンサを示した図である。 第２実施形態のプリント基板の基板構造の構成を模式的に示す図であり、（１）はプリント基板を上方から見た上面の平面図および下面の透視平面図、（２）はプリント基板を側方から見た図である。 第３実施形態のプリント基板の基板構造の構成を模式的に示す図であり、プリント基板を側方から見た図である。 従来技術を用いたプリント基板の基板構造を模式的に示す図であり、（１）は制御系回路および動力系回路に共通電源を用いた基板構造、（２）はデジタル制御系回路およびアナログ系回路に共通電源を用いた基板構造である。

本発明の第１実施形態のプリント基板の基板構造１について、図１〜図３を参考にして説明する。図１は第１実施形態のプリント基板の基板構造１の構成を模式的に示す図であり、（１）はプリント基板を上方から見た上面２１の平面図および下面２２の透視平面図、（２）はプリント基板を側方から見た図である。第１実施形態のプリント基板は、モータ９１の始動および停止ならびに速度の制御を用途とし、その基板構造１は、基材層２、制御系回路３１および給電回路３２からなる第１系回路３、受電回路４１および動力系回路４２からなる第２系回路４、２組の非接触給電部５１、５２などにより構成されている。

図１に示されるように、プリント基板の母材となる基材層２は、矩形の薄板であり、絶縁材料で形成されている。絶縁材料の材質としては、一般的な樹脂を用いることができ、後述するように、特に高い誘電率を有する材料を用いるようにしてもよい。基材層２の表裏の二つの面に特性上の差は無く、便宜的に上面２１および下面２２と名付ける。基材層２の上面２１には第１配線パターン層２３が設けられ、下面２２には第２配線パターン層２４が設けられている。第１および第２配線パターン層２３、２４は、公知のメッキ法や真空蒸着法、スパッタ法、あるいはインクジェット装置やディスペンサ装置を用いた描画法などにより、銀や銅などの導体性材料で形成されている。

第１系回路３は、制御系回路３１および給電回路３２からなり、基材層２の上面２１に構成されている。図１に示されるように、制御系回路３１は、ＣＰＵ素子３１１および図略のその他の部品を第１配線パターン層２３の図中の左側部分に実装することで構成されている。給電回路３２は、高周波発生部３２１および図略のその他の部品を第１配線パターン層２３の図中の右側部分に実装することで構成されている。制御系回路３１および給電回路３２は、それぞれの電源が接続された第１系回路３を構成する。

第２系回路４は、受電回路４１および動力系回路４２からなり、基材層２の下面２２に構成されている。図１の（１）の下面２２の透視平面図に示されるように、受電回路４１は、整流部４１１および図略のその他の部品を第２配線パターン層２４の図中の左側部分に実装することで構成されている。動力系回路４２は、モータ駆動回路４２１および図略のその他の部品を第２配線パターン層２４の図中の右側部分に実装することで構成されている。モータ駆動回路４２１の出力は、プリント基板の外部に引き出されてモータ９１に接続されている。受電回路４１および動力系回路４２は、それぞれの電源が接続されかつ第１系回路３とは絶縁されており、第２系回路４を構成する。

２組の非接触給電部５１、５２は、給電パターン５１Ａ、５２Ａおよび受電パターン５１Ｂ、５２Ｂをそれぞれ有している。第１非接触給電部５１の給電パターン５１Ａは、基材層２の上面２１に設けられて、給電回路３２に電気接続されている。また、第１非接触給電部５１の受電パターン５１Ｂは、基材層２の下面２２に設けられて、受電回路４１に電気接続されている。給電パターン５１Ａおよび受電パターン５１Ｂは、基材層２の厚さｔを挟んで対向し、電気的には平行板コンデンサＣ１になっている。

同様に、第２非接触給電部５２の給電パターン５２Ａは、基材層２の上面２１に設けられて、給電回路３２に電気接続されている。また、第２非接触給電部５２の受電パターン５２Ｂは、基材層２の下面２２に設けられて、受電回路４１に電気接続されている。給電パターン５２Ａおよび受電パターン５２Ｂは、基材層２の厚さｔを挟んで対向し、電気的には平行板コンデンサＣ２になっている。

給電パターン５１Ａ、５２Ａおよび受電パターン５１Ｂ、５２Ｂは、第１および第２配線パターン層２３、２４と同一または異なる導電性材料で形成され、図１に示されるように、４個とも矩形の薄板形状で同形同大とされている。したがって、２つの平行板コンデンサＣ１、Ｃ２も同形状になり、静電容量Ｃａｐも等しくなっている。

第１実施形態において、２組の非接触給電部５１、５２と給電回路３２と、受電回路４１と、により電界結合方式の非接触給電機構が構成されている。図１の（１）において、実線の矢印は第１および第２配線パターン層２３、２４を用いた配線給電経路を示し、破線の矢印は第１および第２非接触給電部５１、５２を用いた非接触給電経路を示している。以下、給電作用について詳述する。

図２は、第１実施形態のプリント基板の基板構造１における電源系統の構成を示す回路図である。このプリント基板の大元の電源は商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電圧Ｖａｃであり、交流電圧Ｖａｃが第１系回路３の制御系回路３１に給電される。制御系回路３１は、４個のダイオードからなる全波整流ブリッジ３１２と、コイルおよびコンデンサからなる平滑部３１３とを有し、交流電圧Ｖａｃを直流電圧Ｖｄ１に変成する。直流電圧Ｖｄ１は、制御系回路３１内のＣＰＵ素子３１１などに給電され、さらに、給電回路３２にも給電される。

給電回路３２の高周波発生部３２１は、２個のスイッチングトランジスタからなり、給電された直流電圧Ｖｄ１を高頻度で開閉制御して高周波電圧Ｖｈｆに変成する。高周波電圧Ｖｈｆは、２つの給電パターン５１Ａ、５２Ａの間に給電され、第１および第２非接触給電部５１、５２(電気的には第１および第２コンデンサＣ１、Ｃ２)によって、第２系回路４の受電回路４１に非接触給電される。

受電回路４１の整流部４１１は、４個のダイオードからなる全波整流ブリッジ４１２と、コイルおよびコンデンサからなる平滑部４１３とを有し、２つの受電パターン５１Ｂ、５２Ｂの間に非接触給電された高周波電圧Ｖｈｆを直流電圧Ｖｄ２に変成する。直流電圧Ｖｄ２は、動力系回路４２のモータ駆動回路４２１に給電される。モータ駆動回路４２１は４個のスイッチングトランジスタからなり、直流電圧Ｖｄ２の印加位相ならびに極性を制御してモータ電圧Ｖｍｏｔｏｒを生成し、モータ９１に給電する。なお、４個のスイッチングトランジスタのオンおよびオフの制御タイミングは、制御系回路３１内のＣＰＵ素子３１１から、図略の絶縁素子を介して指令される。

次に、非接触給電作用について詳述する。図３は、第１および第２非接触給電部５１、５２が構成する平行板コンデンサＣ１、Ｃ２を示した図である。周知のように平行板コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量Ｃａｐは次式で表される。
Ｃａｐ＝ε・Ｓ／ｔ
ただし、εは給電パターン５１Ａ（５２Ａ）と受電パターン５１Ｂ（５２Ｂ）との間の電界形成領域、すなわち基材層２の誘電率であり、Ｓは給電パターン５１Ａ（５２Ａ）と受電パターン５１Ｂ（５２Ｂ）との対向面積、ｔは基材層２の厚さｔである。

ここで、静電容量Ｃａｐを大きくすれば高周波に対するインピーダンスが減少するので、高周波電圧Ｖｈｆを印加したときに流れる高周波電流が増加し、非接触給電の給電容量が増加する。上式から分かるように、静電容量Ｃａｐを大きくするためには、誘電率εおよび対向面積Ｓを大きくするか、厚さｔを小さくすることが効果的であり、比例関係の効果が生じる。

まず、誘電率εに関し、基材層２の材質として一般的に用いられる紙フェノール樹脂や紙エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂などの比誘電率は４．５〜４．７程度である。これに対し、特に高い誘電率を有するセラミックの比誘電率は約１０であり、低温同時焼成セラミックスの比誘電率は約８．５である。したがって、これらのセラミックス系の基材層を用いれば、給電容量を概ね倍増できる。なお、基材層２全体の材質を変更する方法、および平行板コンデンサＣ１、Ｃ２に挟まれた領域部分だけ材質を変更する方法のいずれを採用してもよい。

次に、基材層２の厚さｔに関し、機械的強度などの諸条件が許す範囲で厚さｔを小さくすることが好ましい。これについても、基材層２全体の厚さｔを小さく方法、および平行板コンデンサＣ１、Ｃ２に挟まれた領域部分だけ材質を変更する方法のいずれを採用してもよい。対向面積Ｓに関しては、プリント基板の外形を大きくしない範囲で大きくすることが好ましい。

さらに、第１実施形態では、インピーダンス調整素子５５、５６を備えている。インピーダンス調整素子５５、５６は、給電回路３２と２組の非接触給電部５１、５２と受電回路４１とにより形成される閉回路内に設けられ、閉回路のインピーダンスを最小に調整する。図２に例示されるように、インピーダンス調整素子５５、５６には、インダクタンスＬが固定値または調整可能な誘導素子を用いることができる。インピーダンス調整素子５５、５６は、給電回路３２の高周波発生部３２１と第１給電用電極板５１Ａとの間、および第１受電用電極板５１Ｂと受電回路４１の整流部４１１との間に直列接続されており、これに限定されず閉回路内の他の位置に接続されていてもよい。

インダクタンスＬの具体的な値は、高周波電圧Ｖｈｆに対して、２組の非接触給電部５１、５２の静電容量Ｃ１、Ｃ２とインピーダンス調整素子５５、５６のインダクタンスＬとが直列共振するように定める。これにより、流れる高周波電流を最大化できる。ここで、直列共振の発生条件は、閉回路内の漂遊容量Ｃｆおよび漂遊インダクタンスＬｆなどの影響を受ける。したがって、インピーダンス調整素子５５、５６のインダクタンスＬの値は、予め実験やシミュレーションを行って決定するようにしてもよく、プリント基板ごとに個別に調整して最適化するようにしてもよい。インピーダンス調整素子５５、５６の種類、数量、および接続箇所は、上述に限定されない。

次に、第１実施形態のプリント基板の基板構造１の効果について、従来技術と比較して説明する。図６は、従来技術を用いたプリント基板の基板構造１Ａ、１Ｂを模式的に示す図であり、（１）は制御系回路９３および動力系回路９４に共通電源９２Ａを用いた基板構造１Ａ、（２）はデジタル制御系回路９５およびアナログ系回路９６に共通電源９２Ｂを用いた基板構造１Ｂである。なお、図中の破線の矢印は、ノイズ電圧の伝搬経路を示している。

図６の（１）に示される基板構造１Ａで、矩形薄板の基材層２Ａの表面に制御系回路９３および動力系回路９４が構成されている。制御系回路９３内には共通電源９２ＡおよびＣＰＵ素子９３１が接地点ＥＡを共有して設けられており、ＣＰＵ素子９３１には共通電源９２Ａから直流電圧Ｖｄ３が供給されるように接続されている。動力系回路９４内にはモータ駆動回路９４１が接地点ＥＡを共有して設けられており、モータ駆動回路９４１には制御系回路９３の共通電源９２Ａから直流電圧Ｖｄ３が供給されるように接続されている。モータ駆動回路９４１の制御入力ピン９４２は、ＣＰＵ素子９３１の制御出力ピン９３２に接続されており、ＣＰＵ素子９３１の制御信号ＳＡが入力されるようになっている。モータ駆動回路９４１の出力ピン９４３、９４４は、プリント基板から引き出されてモータ９１に接続されており、モータ電流を通電するようになっている。

基板構造１Ａにおいて、制御系回路９３および動力系回路９４は、共通電源９２Ａおよび接地点ＥＡを共有し、相互に電気的に導通している。そして、ＣＰＵ素子９３１からの制御信号ＳＡにしたがいモータ駆動回路９４１がモータ電流をスイッチングすると、その際にノイズ電圧が発生する。ノイズ電圧は、図中に破線の矢印で示されるように、電源線を経由してＣＰＵ素子９３１に伝搬するため、ＣＰＵ素子９３１が誤動作するおそれが生じる。

また、図６の（２）に示される基板構造１Ｂで、矩形薄板の基材層２Ｂの表面にデジタル制御系回路９５およびアナログ系回路９６が構成されている。デジタル制御系回路９５内には共通電源９２ＢおよびＣＰＵ回路部９５１が接地点ＥＢを共有して設けられており、ＣＰＵ回路部９５１には共通電源９２Ｂから直流電圧Ｖｄ３が供給されるように接続されている。アナログ系回路９６内にはＡ／Ｄ変換器９６１が接地点ＥＢを共有して設けられており、Ａ／Ｄ変換器９６１にはデジタル制御系回路９５の共通電源９２Ｂから直流電圧Ｖｄ３が供給されるように接続されている。Ａ／Ｄ変換器９６１の制御入力ピン９６２は、ＣＰＵ回路部９５１の制御出力ピン９５２に接続されており、ＣＰＵ回路部９５１の制御信号ＳＢが入力されるようになっている。Ａ／Ｄ変換器９６１の複数のデジタル出力ピン９６３は、ＣＰＵ回路部９５１の入力ピン９５３に接続されており、デジタル変換後の出力信号ＳＤを出力するようになっている。

基板構造１Ｂにおいて、デジタル制御系回路９５およびアナログ系回路９６は、共通電源９２Ｂおよび接地点ＥＢを共有し、相互に電気的に導通している。そして、Ａ／Ｄ変換器９６１にＡ／Ｄ変換動作を行わせるためにＣＰＵ回路部９５１で制御信号ＳＢを生成する際に、ＩＣ素子などで内部の半導体がスイッチング動作してノイズ電圧が発生する。ノイズ電圧は、図中に破線の矢印で示されるように、電源線を経由してアナログ系回路９６に伝搬し、アナログ系回路９６の誤動作やＡ／Ｄ変換器９６１のＡ／Ｄ変換精度の低下を引き起こすおそれが生じる。

図６に例示された共通電源９２Ａ、９２Ｂによる誤動作や精度低下のおそれを解消するため、従来技術では絶縁トランスが多用されて、電源が絶縁されていた。これに対し、第１実施形態では、非接触給電機構の作用により、非接触で第１系回路３から第２系回路４に電源を供給するので、回路３、４相互間の電圧ノイズの伝搬が抑制される。したがって、従来技術で用いていた絶縁トランスが不要になり、絶縁トランスの配置スペース分だけプリント基板を省スペース化できる。また、絶縁トランスのコスト分だけプリント基板のコストを削減できる。

さらに、基材層２の給電パターン５１Ａ、５２Ａと受電パターン５１Ｂ、５２Ｂとの間に介在する領域の基材厚さｔを薄くすることができ、また、基材層２に高い誘電率を有する絶縁性材料を用いることができて、第１および第２非接触給電部５１、５２（第１および第２コンデンサＣ１、Ｃ２）の静電容量Ｃａｐを大きくすることができる。加えて、インピーダンス調整素子５５、５６により、給電回路３２と２組の非接触給電部５１、５２と受電回路４１とにより形成される閉回路のインピーダンスが最小になるので、閉回路では直列共振が発生する。これらの総合的な作用により、非接触給電機構に大きな高周波電流を流し、大きな給電容量および高い給電効率を確保できる。

次に、第２実施形態のプリント基板の基板構造１０について、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図４は、第２実施形態のプリント基板の基板構造１０の構成を模式的に示す図であり、（１）はプリント基板を上方から見た上面２１の平面図および下面２２の透視平面図、（２）はプリント基板を側方から見た図である。第２実施形態のプリント基板の基板構造１０では、第１系回路６および第２系回路７が共に、基材層２０の上面２１に構成されている。

図４に示されるように、矩形薄板の基材層２０の上面２１のうち図中の左側の約半分に第１配線パターン層２３Ａが設けられ、右側の約半分に第２配線パターン層２４Ａが設けられている。

第１系回路６は、デジタル制御系回路６１および給電回路６２からなり、基材層２０の上面２１に構成されている。デジタル制御系回路６１は、ＣＰＵ回路部６１１および図略のその他の部品を第１配線パターン層２３Ａの図中の左側部分に実装することで構成されている。給電回路６２は、高周波発生部６２１および図略のその他の部品を第１配線パターン層２３Ａの図中の右側部分に実装することで構成されている。デジタル制御系回路６１および給電回路６２は、それぞれの電源が接続された第１系回路６を構成する。

第２系回路７は、受電回路７１およびアナログ系回路７２からなり、基材層２０の上面２１に構成されている。受電回路７１は、整流部７１１および図略のその他の部品を第２配線パターン層２４Ａの図中の左側部分に実装することで構成されている。アナログ系回路７２は、Ａ／Ｄ変換器７２１および図略のその他の部品を第２配線パターン層２４Ａの図中の右側部分に実装することで構成されている。受電回路７１およびアナログ系回路７２は、それぞれの電源が接続されかつ第１系回路６とは絶縁されており、第２系回路７を構成する。

２組の非接触給電部５１、５２は、給電パターン５１Ａ、５２Ａおよび受電パターン５１Ｂ、５２Ｂをそれぞれ有している。第１非接触給電部５１の給電パターン５１Ａは、基材層２の上面２１に設けられて、給電回路６２に電気接続されている。また、第１非接触給電部５１の受電パターン５１Ｂは、基材層２の下面２２に設けられ、スルーホール５７を介して上面２１に引き出され、受電回路７１に電気接続されている。給電パターン５１Ａおよび受電パターン５１Ｂは、基材層２の厚さｔを挟んで対向し、電気的には平行板コンデンサＣ１になっている。

同様に、第２非接触給電部５２の給電パターン５２Ａは、基材層２０の上面２１に設けられて、給電回路３２に電気接続されている。また、第２非接触給電部５２の受電パターン５２Ｂは、基材層２の下面２２に設けられ、スルーホール５８を介して上面２１に引き出され、受電回路７１に電気接続されている。給電パターン５２Ａおよび受電パターン５２Ｂは、基材層２の厚さｔを挟んで対向し、電気的には平行板コンデンサＣ２になっている。

給電パターン５１Ａ、５２Ａおよび受電パターン５１Ｂ、５２Ｂは、第１および第２配線パターン層２３Ａ、２４Ａと同一または異なる導電性材料で形成され、図１に示されるように、４個とも矩形の薄板形状で同形同大とされている。したがって、２つの平行板コンデンサＣ１、Ｃ２も同形状になり、静電容量Ｃａｐも等しくなっている。

第２実施形態において、２組の非接触給電部５１、５２と給電回路６２と、受電回路７１と、により電界結合方式の非接触給電機構が構成されている。図４の（１）において、実線の矢印は第１および第２配線パターン層２３、２４を用いた配線給電経路を示し、破線の矢印は第１および第２非接触給電部５１、５２を用いた非接触給電経路を示している。

第２実施形態における電源系統の構成は、図２に示された第１実施形態の電源系統の構成に一致している。ただし、非接触給電部５１、５２の受電用電極板５１Ｂ、５２Ｂの後段でスルーホール５７、５８を介して上面２１側に引き上げられ、以降が上面２１に配設されている点が第１実施形態と異なる。また、ＣＰＵ回路部６１１からＡ／Ｄ変換器７２１への制御信号、および、Ａ／Ｄ変換器７２１からＣＰＵ回路部６１１へのデジタル出力信号は、図略の絶縁素子を介して授受される。

第２実施形態のプリント基板の基板構造１０における電源の絶縁化の作用や、プリント基板の省スペースおよびコスト削減の効果は第１実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。さらに、第２実施形態では、基材層２の上面２１のみに配線パターン層２３Ａ、２４Ａを形成して、上面２１のみに部品を実装すればよい。したがって、第１実施形態よりもプリント基板の製造工程を簡略化でき、製造コストを一層削減できる。

次に、第３実施形態のプリント基板の基板構造１００について、第１および第２実施形態と異なる点を主に説明する。図５は、第３実施形態のプリント基板の基板構造１００の構成を模式的に示す図であり、プリント基板を側方から見た図である。第３実施形態のプリント基板の基板構造１００は多層プリント基板を対象とし、具体的には基材層２６〜２８が３層で配線パターン層８１１〜８１４、８２１〜８２３（便宜的に斜線のハッチングを付して示す）が４層の４層プリント基板を例にして説明する。

図示されるように、第３実施形態のプリント基板は、同形同大の第１〜第３基材層２６〜２８が記載した順番で上から下へと重ね合わせられて構成されている。第１基材層２６の厚さｔ１は、第２基材層２７の厚さｔ２や第３基材層２８の厚さｔ３よりも薄くなっている。

第１系回路８１は、第１基材層２６の上面２６１の図中の左側の約半分に第１部品群８１０が実装され、第１１〜第１４配線パターン層８１１〜８１４を用いて配線されることで構成されている。第１１配線パターン層８１１は第１基材層２６の上面２６１に形成され、第１２配線パターン層８１２は第１基材層２６と第２基材層２７との間に形成され、第１３配線パターン層８１３は第２基材層２７と第３基材層２８との間に形成され、第１４配線パターン層８１４は第３基材層２８の下面２８２に形成されている。第１部品群８１０は、第１１配線パターン層８１１に直接接続され、第１２〜第１４配線パターン層８１２〜８１４に対しては適宜スルーホールを介して接続される。

第２系回路８２は、第１基材層２６の上面２６１の図中の右側の約半分に第２部品群８２０が実装され、第２部品群８２０が第２１〜第２３配線パターン層８２１〜８２３を用いて配線されることで構成されている。第２１配線パターン層８２１は第１基材層２６の上面２６１に形成され、第２２配線パターン層８２２は第１基材層２６と第２基材層２７との間に形成され、第２３配線パターン層８２３は第２基材層２７と第３基材層２８との間に形成されている。第２部品群８２０は、第２１配線パターン層８２１に直接接続され、第２２および第２３配線パターン層８２２、８２３に対しては適宜スルーホールを介して接続される。

第１非接触給電部８３は、給電パターン８３Ａおよび受電パターン８３Ｂを有し、同様に、第２非接触給電部８４も、給電パターン８４Ａおよび受電パターン８４Ｂを有している。給電パターン８３Ａ、８４Ａは、第１基材層２６の上面２６１の図中の幅方向の中央付近に設けられており、図５では給電パターン８４Ａが見え、その紙面裏側に給電パターン８３Ａが隠れている。受電パターン８３Ｂ、８４Ｂは、第１基材層２６の下面２６２の給電パターン８３Ａ、８４Ａの真下に設けられており、図５では受電パターン８４Ｂが見え、その紙面裏側に受電パターン８３Ｂが隠れている。給電パターン８３Ａ、８４Ａは第１系回路８１に電気接続され、受電パターン８３Ｂ、８４Ｂは、第２系回路８２に電気接続されている。

上下に重なる給電パターン８３Ａ、８４Ａと受電パターン８３Ｂ、８４Ｂの組は、第１基材層２６の厚さｔ１を挟んで対向し、電気的には平行板コンデンサになっている。この２組の非接触給電部８３、８４を介し、図２に示される第１実施形態と類似の電源構成を用いて、第１系回路８１から第２系回路８２への非接触給電が行われる。

ここで、第１系回路８１の第１３配線パターン層８１３は、全領域の電位が基準電位（一般的には電圧ゼロ）になる基準電位パターン（接地した場合にはグラウンドパターン）とされている。そして、第１３配線パターン層８１３と第１２配線パターン層８１２との間、および、第１３配線パターン層８１３と第１４配線パターン層８１４との間には、構造上定まる漂遊容量Ｃｆなどが形成される。このため、第１系回路８１を分布定数回路と見なしたときの特性インピーダンスをコントロールするために、第２および第３基材層２７、２８の厚さｔ２、ｔ３が設計される。したがって、厚さｔ２、ｔ３は薄くすることができない。一方、第１１配線パターン層８１１には特性インピーダンスに影響を及ぼす配線パターンは含まれず、第１基材層２６の厚さｔ１は薄くすることができる。

同様に、第２系回路８２の第２３配線パターン層８２３は基準電位パターンとされ、第２２配線パターン層８２２との間に形成される特性インピーダンスをコントロールする必要上、第２基材層２７の厚さｔ２は薄くすることができない。また、第２１配線パターン層８２１には特性インピーダンスに影響を及ぼす配線パターンは含まれず、第１基材層の厚さｔ１は薄くすることができる。

上述のように構成することで、第１系回路８１と第２系回路８２で電源を絶縁化するために従来技術で用いていた絶縁トランスが不要になり、絶縁トランスの配置スペース分だけ多層プリント基板を省スペース化できる。また、絶縁トランスのコスト分だけ多層プリント基板のコストを削減できる。

なお、第１〜第３実施形態で例示した第１系回路３、６、８１および第２系回路４、７，８２の種類や構成は、適宜変更できる。例えば、第１および第２実施形態で配線パターン層を基材層２の上面２１および下面２２に分けて形成してもよい。また、第３実施形態において、配線パターン層の層数は４層に限定されず、非接触給電を行う基材層も選択できる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

１、１０、１００：プリント基板の基板構造
１Ａ、１Ｂ：従来技術を用いたプリント基板の基板構造
２、２Ａ、２Ｂ：基材層 ２１：上面 ２２：下面
２３：第１配線パターン層 ２４：第２配線パターン層
２６〜２８：第１〜第３基材層
３：第１系回路
３１：制御系回路 ３１１：ＣＰＵ素子
３２：給電回路 ３２１：高周波発生部
４：第２系回路
４１：受電回路 ４１１：整流部
４２：動力系回路 ４２１：モータ駆動回路
５１：第１非接触給電部 ５１Ａ：給電パターン ５１Ｂ：受電パターン
５２：第２非接触給電部 ５２Ａ：給電パターン ５２Ｂ：受電パターン
５５、５６：インピーダンス調整素子 ５７、５８：スルーホール
６：第１系回路
６１：デジタル制御系回路 ６１１：ＣＰＵ回路部
６２：給電回路 ６２１：高周波発生部
７：第２系回路
７１：受電回路 ７１１：整流部
７２：アナログ系回路 ７２１：Ａ／Ｄ変換器
８１：第１系回路
８１０：第１部品群 ８１１〜８１４：第１１〜第１４配線パターン層
８２：第２系回路
８２０：第２部品群 ８２１〜８２３：第２１〜第２３配線パターン層
８３：第１非接触給電部 ８３Ａ：給電パターン ８３Ｂ：受電パターン
８４：第２非接触給電部 ８４Ａ：給電パターン ８４Ｂ：受電パターン
９１：モータ
９２Ａ、９２Ｂ：共通電源
９３：制御系回路 ９３１：ＣＰＵ素子
９４：動力系回路 ９４１：モータ駆動回路
９５：デジタル制御系回路 ９５１：ＣＰＵ回路部
９６：アナログ系回路 ９６１：Ａ／Ｄ変換器
Ｃ１、Ｃ２：平行板コンデンサ Ｃａｐ：静電容量
ＥＡ、ＥＢ：接地点

Claims (5)

1. 絶縁性の基材層と、前記基材層の表面に設けられた第１配線パターン層を含んで構成された第１系回路と、前記基材層の表面に前記第１配線パターン層から電気絶縁されて設けられた第２配線パターン層を含んで構成された第２系回路と、を備えたプリント基板の基板構造であって、
   前記基材層の一方の表面に設けられて前記第１配線パターン層に電気接続された導電性の給電パターン、および前記基材層の他方の表面に設けられて前記第２配線パターン層に電気接続されるとともに前記基材層を挟んで前記給電パターンに対向する導電性の受電パターンをそれぞれ有し、前記給電パターンと前記受電パターンとの間に形成される電界を介して高周波電力の給電が可能となっている２組の非接触給電部と、
   前記第１系回路内に設けられて２つの給電パターンの間に高周波電力を給電する給電回路と、
   前記第２系回路内に設けられて２つの受電パターンの間に非接触給電された高周波電力を変成し前記第２系回路内の負荷に給電する受電回路と、
   をさらに備えるプリント基板の基板構造。
2. 請求項１において、前記基材層の前記給電パターンと前記受電パターンとの間に介在する領域の基材厚さが薄くされているプリント基板の基板構造。
3. 請求項１または２において、前記基材層の前記給電パターンと前記受電パターンとの間に介在する領域に高い誘電率を有する絶縁性材料が用いられているプリント基板の基板構造。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記給電回路と前記２組の非接触給電部と前記受電回路とにより形成される閉回路内に設けられ、前記閉回路のインピーダンスを最小に調整するインピーダンス調整素子をさらに備えるプリント基板の基板構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記プリント基板は複数の基材層が重ね合わせられて構成され、いずれかの基材層の一方の表面に前記給電パターンが設けられ他方の表面に前記受電パターンが設けられているプリント基板の基板構造。

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