JP5890621B2 - ワイヤレス給電又は受電用コイルと、それを用いたユニット - Google Patents
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電気自動車の充電のための電力供給方法として、最も一般的であるのは、ケーブルおよびコネクタ等によって直接電源に繋ぐコンセント式である。
他方、近年、種々の電気機器や装置等において、給受電を行う際の使い勝手を向上させるためにワイヤレスでの給受電技術の開発が行われている。
ワイヤレス給受電における他の方式として、磁場の共振現象を利用する方式が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1の技術において適用されているような巻線型のコイルでは、配線の位置変化を完全に抑止できるような技術は未だ確立していない。このため、高周波での配線容量が十分に安定した薄型のコイルを形成することは難しい。またプリント基板を用いてコイルを形成する方式では、一定の厚さの製品において配線抵抗が高くなり易く、給受電の容量を大きくする場合の損失が大きくなり、給受電の効率が低下する傾向が顕著である。
請求項1に係る本発明は、第1から第N(Nは2以上の自然数)のコイル導体エレメントで成る複数ターンのコイルを基板に形成した上層コイル層と、前記上層コイル層と隣接して上下の対を成し、第(N+1)から第(2×N)のコイル導体エレメントで成る複数ターンのコイルを基板に形成した下層コイル層と、を備えるワイヤレス給電又は受電用コイルであって、前記第(N+1)から第(2×N)のコイル導体エレメントの各々は、前記第1から第Nのコイル導体エレメントの各々に対応して、上下同じ位置に配置され、前記第1から第Nのコイル導体エレメントの終端の各々は、前記第(N+1)から第(2×N)のコイル導体エレメントの始端の各々と接続され、前記第2から第Nのコイル導体エレメントの始端の各々は、前記第(N+1)から第(2×N−1)のコイル導体エレメントの終端の各々と接続され、前記第1のコイル導体エレメントの始端は、入力外部接続端子と出力外部接続端子との一方に接続され、前記第(2×N)のコイル導体エレメントの終端は、入力外部接続端子と出力外部接続端子の他方に接続され、前記第1から第(2×N)のコイル導体エレメントの各々の始端から終端までは1ターン以内であることを特徴とするワイヤレス給電又は受電用コイルである。
また、請求項3に係る本発明は、請求項1または2に記載のワイヤレス給電又は受電用コイルと、該コイルからの電流を処理する処理回路と、該回路からの信号を出力する端子と、を備えていることを特徴とする給電又は受電ユニットである。
本例では、図1のコイル層は、外部接続端子を有する上層のコイル層である。また、図2のコイル層は、図1のコイル層と上下の対を成すコイル層であって、外部接続端子を有しない下層のコイル層である。そして、図1のコイル層と図2のコイル層とを積層して第1実施例としてのワイヤレス給電又は受電用コイルを構成する。
更に、コイル層10aのコイル導体エレメント120aのそれぞれとコイル層10bのコイル導体エレメント120bのそれぞれとは、各対応するエレメント同士で、コイルの始端または終端から1ターン以内の巻回区間内において(1周以内の区間において)既定の導通用導体であるスルーホール導体130,130,…によって導通を得る構成を採っている。この様子を図3に概念図として示す。
尚、コイル層10a、10bの断面構造は、図9(b)に示されている通りである。
このため、絶縁体を挟んで対向するコイル導体エレメントの持つ容量(それによる蓄積電荷)が、一般的なワイヤレス給電又は受電用コイルにおけるよりも大幅に低減され、高周波での大電力の給受電によく適合する。
以上、図1ないし図3を参照して説明したワイヤレス給電又は受電用コイルは、換言すれば、次のような構成を有する。即ち、一以上のコイル導体エレメント120a(120b)で成る複数ターンのコイルを基板11aに形成したコイル層10a(10b)を複数積層して構成したワイヤレス給電又は受電用コイルである。該コイルは、入力と出力の外部接続端子142、144を有し、複数のコイル層(10a、10b)のうち少なくとも隣接する上層コイル層10aと下層コイル層10bとは電気的に接続し、入力外部接続端子142は上層コイル層10aの第一のコイル導体エレメント121aの始端に接続し、その終端は下層コイル層の第一のコイル導体エレメント121bの始端に接続し、その終端は上層コイル層の第二のコイル導体エレメント122aの始端に接続し、その終端は下層コイル層の第二のコイル導体エレメント122bの始端に接続することを出力外部接続端子まで全てのコイル導体エレメントで繰り返し、上層コイル層10aのコイル導体エレメントと下層コイル層10bのコイル導体エレメントとは、上下で同じ位置(平面視で略沿った配置)に配置され、コイル導体エレメント120a(120b)は、メッキにより造られている。
従って、上層のコイル導体エレメントと下層のコイル導体エレメントとの各対応するエレメント間の、抵抗による電圧降下に起因する電位差は、一方のコイル層のコイルを成す導体の全延長分の抵抗による電圧降下に相応したものとなる。
本例では、図4のコイル層は、外部接続端子を有する上層のコイル層である。また、図5のコイル層は、図4のコイル層と上下の対を成すコイル層であって、外部接続端子を有しない下層のコイル層である。そして、図4のコイル層と図5のコイル層とを積層して第2の実施例としてのワイヤレス給電又は受電用コイルを構成する。
同様に、図5のコイル層20bでは、図4のコイル導体エレメント20aに対応して、基板21bに、平面視で略沿った配置の一つのコイル導体エレメント22bで成るコイルを形成している。
尚、コイル層20a、20bの断面構造は、図9(b)に示されている通りである。
更に、スルーホール導体23−1および23−2によって、コイル導体エレメント22aと下層のコイル導体エレメント22bとが電気的には並列接続の関係になるため、この並列接続によって実効的に単位長さ当りの抵抗値が1/2になる上、直列接続の場合に比し、コイル導体エレメントとしての総延長が1/2になるような作用を生じる。このため、双方の作用の結果、直列接続された場合に比し、直流抵抗値が1/4になる。
図7は、既述のようなワイヤレス給電又は受電用コイルのコイル導体エレメントにおいても生じる表皮効果について説明するための図である。
周知のとおり、表皮効果は、高周波電流が導体を流れる時、電流密度が当該導体の表面で高く、表面から深部に向かう程低くなる現象である。周波数が高くなるほど電流が表面へ集中するので、導体の交流抵抗は高くなる。
更に表皮効果の影響を低減するための解決手段を検討し、次のような方途を見出した。即ち、ワイヤレス給電又は受電用コイルのコイル導体エレメントを、略全延長に亘って複数に分割して相互間を絶縁した分割導体を成すようにし、且つ、両端部において既定の終端導体で接続するという構成を採るというものである。
図8は、上述の解決手段における表皮効果の影響を低減するための分割導体を表す概念図である。
図8(a)は分割導体を表す概念図であり、図8(b)は、図8(a)との対照のために分割しない導体を表す概念図である。
図8(a)を図8(b)と対照して容易に理解されるとおり、この分割導体は、各個の一般的導体について、その導体幅を既定の配線分割数に従って分割し各別の分割導体間を絶縁した構成を採る。
図9(a)のワイヤレス給電又は受電用コイルでは、上層側のコイル層は、ソルダレジスト層1−1にフォトレジスト1−1fの上下に形成された複数の分割導体1−1cが
メッキで形成されている。また、ワイヤレス給電又は受電用コイルの、下層側のコイル層は、ソルダレジスト層1−2にフォトレジスト1−2fの上下に形成された複数の分割導体1−2cがメッキで形成されている。そして、上層側のコイル層と下層側のコイル層とをエポキシ樹脂等の絶縁層1−3を挟んで積層してワイヤレス給電又は受電用コイルを構成している。
上述のような分割導体を適用する場合の具体的な効果を次の表3に示す。
図10および図11は本発明の第4実施例としてのワイヤレス給電又は受電用コイルを構成する上層および下層の各コイル層を平面視で表す図である。
この第4実施例は既述の第1実施例における各コイル導体エレメント120aおよび120bに替えて既述のような分割導体を適用している。
図10のコイル層40aでは、既述のような分割導体であるコイル導体エレメント421a、422a、423a、424a、425a、426a、427aで成る複数ターンのコイルを基板41aに形成している。
更に、コイル層40aのコイル導体エレメント421a、422a、423a、424a、425a、426a、427aのそれぞれとコイル層40bのコイル導体エレメント421b、422b、423b、424b、425b、426b、427bのそれぞれとは、各対応するエレメント同士で、コイルの始端または終端から1ターン以内の巻回区間内において(1周以内の区間において)既定の導通用導体であるスルーホール導体430,430,…によって導通を得る構成を採っている。即ち、スルーホール導体によって両コイル層40aおよび40bの各コイル導体エレメント間の導通を得る構成については既述の第1実施例と同様である。
尚、コイル層40a、40bの断面構造は、図9(a)に示される通りである。
このため、第1実施例における作用効果に加えて、表皮効果による影響を低減でき、一層高周波大電流用途に適する。
第4実施例における具体的な効果を次の表4に示す。
この第5実施例は既述の第2実施例における各コイル導体エレメント22aおよび22bに替えて既述のような分割導体を適用している。
本例では、図12のコイル層は、外部接続端子を有する上層のコイル層である。また、図13のコイル層は、図12のコイル層と上下の対を成すコイル層であって、外部接続端子を有しない下層のコイル層である。そして、図12のコイル層と図13のコイル層とを積層して第5の実施例としてのワイヤレス給電又は受電用コイルを構成する。
同様に、図13のコイル層50bでは、図12のコイル導体エレメント50aに対応して、基板51bに、既述のような分割導体である一連のコイル導体エレメント52bで成るコイルを形成している。
尚、コイル層50a、50bの断面構造は、図9(a)に示される通りである。
このため、絶縁体を挟んで対向するコイル導体エレメントの持つ容量(それによる蓄積電荷)が極めて小さく、高周波での大電力の給受電によく適合する。
このため、第2実施例における作用効果に加えて、表皮効果による影響を低減でき、一層高周波大電流用途に適する。
11a、11b…………………………基板
120a、120b……………………コイル導体エレメント
130……………………………………スルーホール導体
142……………………………………第1の外部接続導体部
144……………………………………第2の外部接続導体部
20a、20b…………………………コイル層
21a、21b…………………………基板
22a、22b…………………………コイル導体エレメント
23−1…………………………………第1スルーホール導体
23−2…………………………………第2スルーホール導体
1−1、1−2…………………………ソルダレジスト層
1−1c、1−2c……………………分割導体
1−1f、1−2f……………………フォトレジスト
1−3……………………………………絶縁層
40a、40b…………………………コイル層
41a、41b…………………………基板
421a、422a、…、427a…コイル導体エレメント
421b、422b、…、427b…コイル導体エレメント
430……………………………………スルーホール導体
442……………………………………第1の外部接続導体部
444……………………………………第2の外部接続導体部
50a、50b…………………………コイル層
51a、51b…………………………基板
52a、52b…………………………コイル導体エレメント
53−1…………………………………第1スルーホール導体
53−2…………………………………第2スルーホール導体
Claims (3)
- 第1から第N(Nは2以上の自然数)のコイル導体エレメントで成る複数ターンのコイルを基板に形成した上層コイル層と、
前記上層コイル層と隣接して上下の対を成し、第(N+1)から第(2×N)のコイル導体エレメントで成る複数ターンのコイルを基板に形成した下層コイル層と、
を備えるワイヤレス給電又は受電用コイルであって、
前記第(N+1)から第(2×N)のコイル導体エレメントの各々は、前記第1から第Nのコイル導体エレメントの各々に対応して、上下同じ位置に配置され、
前記第1から第Nのコイル導体エレメントの終端の各々は、前記第(N+1)から第(2×N)のコイル導体エレメントの始端の各々と接続され、
前記第2から第Nのコイル導体エレメントの始端の各々は、前記第(N+1)から第(2×N−1)のコイル導体エレメントの終端の各々と接続され、
前記第1のコイル導体エレメントの始端は、入力外部接続端子と出力外部接続端子との一方に接続され、前記第(2×N)のコイル導体エレメントの終端は、入力外部接続端子と出力外部接続端子の他方に接続され、
前記第1から第(2×N)のコイル導体エレメントの各々の始端から終端までは1ターン以内であることを特徴とするワイヤレス給電又は受電用コイル。 - 前記第1から第(2×N)のコイル導体エレメントは、略全延長に亘って複数に縦断分割して相互間を絶縁した分割導体を成すようにし且つ端部において終端導体で接続したものであることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電又は受電用コイル。
- 請求項1または2に記載のワイヤレス給電又は受電用コイルと、該コイルからの電流を処理する処理回路と、該回路からの信号を出力する端子と、を備えていることを特徴とする給電又は受電ユニット。
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