JP6269437B2

JP6269437B2 - コンデンサモジュール

Info

Publication number: JP6269437B2
Application number: JP2014216134A
Authority: JP
Inventors: 浩章湯浅
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: JP2016086014A

Description

本発明は、コイルと共に共振回路を構成するコンデンサモジュールに関する。

従来、車両に搭載されると共に車外の送電装置からの電力を非接触で受電して当該車両のバッテリに供給する非接触式受電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この非接触式受電装置は、フェライトコアと、当該フェライトコアの外周面に巻き付けられた受電コイルと、受電コイルに電気的に接続されて当該受電コイルと共に共振回路を構成するコンデンサモジュール（キャパシタ）とを有する。そして、特許文献１には、非接触式受電装置のコンデンサモジュールを構成する複数のコンデンサ素子として、セラミックコンデンサを用いることが記載されている。

国際公開第２０１３／１８３１０５号

上述のような共振回路用のコンデンサモジュールとしては、基板の少なくとも一方の面に複数のコンデンサ素子を格子状に実装すると共に、基板の一辺に沿って並ぶ複数のコンデンサ素子を直列に接続し、更に直列接続された複数のコンデンサ素子を含む複数の素子列を並列接続することにより構成されるものがある。しかしながら、このように構成されるコンデンサモジュールでは、耐圧性能を確保し得たとしても、発熱密度が高くなってしまい、１素子に印加される電流の値を低下させないと各素子の温度が耐熱温度を超えてしまうおそれがある。このため、上述のような構成を採用して共振回路を構成するコンデンサモジュールの発熱を抑制しつつ耐圧性能を確保しようとすると、コンデンサ素子の数が極めて多くなってしまい、コンデンサモジュールのサイズアップやコストアップを余儀なくされてしまう。

そこで、本発明は、共振回路用のコンデンサモジュールの耐圧性能を良好に確保しつつ、サイズアップおよびコストアップを抑制することを主目的とする。

本発明によるコンデンサモジュールは、コイルと共に共振回路を構成するコンデンサモジュールにおいて、基板と、前記基板の第１面に第１方向および該第１方向と交差する第２方向に沿って間隔をおいて並ぶように実装された複数の第１コンデンサ素子と、前記基板の前記第１面とは反対側の第２面に実装されると共に、それぞれ前記第１方向に隣り合う２つの前記第１コンデンサ素子に電気的に直列接続される複数の第２コンデンサ素子とを備え、前記基板を平面視した際に、前記複数の第２コンデンサ素子の各々は、それに電気的に接続される前記２つの前記第１コンデンサ素子の前記第１方向における間で該２つの前記第１コンデンサ素子から前記第２方向の一側に離間していることを特徴とする。

このコンデンサモジュールは、基板と、当該基板の第１面に実装される複数の第１コンデンサ素子と、基板の第１面とは反対側の第２面に実装される複数の第２コンデンサ素子とを含む。複数の第１コンデンサ素子は、基板の第１面に第１方向および当該第１方向と交差する第２方向に沿って間隔をおいて並ぶように実装される。また、各第２コンデンサ素子は、第１方向に隣り合う２つの第１コンデンサ素子に電気的に直列接続される。これにより、このコンデンサモジュールでは、電気的に直列接続される第１および第２コンデンサ素子により、それぞれ第１方向に沿って延びる複数の素子列が構成される。

更に、このコンデンサモジュールでは、基板を平面視した際に、複数の第２コンデンサ素子の各々が、それに電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子の第１方向における間で当該２つの第１コンデンサ素子から第２方向の一側に離間している。言い換えれば、基板を平面視した際に、第２コンデンサ素子に直列接続される２つの第１コンデンサ素子は、それぞれ当該第２コンデンサ素子から第１および第２方向の双方において離間している。これにより、このコンデンサモジュールでは、第１面における互いに隣り合う第１コンデンサ素子同士の間隔、第２面における互いに隣り合う第２コンデンサ素子同士の間隔、および基板を平面視した際に互いに近接する第１および第２コンデンサ素子の間隔を充分に確保することができる。従って、各コンデンサ素子に印加される電流の値をより大きくしても、基板の第１および第２面における発熱密度を良好に小さくすることが可能となる。すなわち、このコンデンサモジュールでは、各コンデンサ素子の温度が上昇し難くなることから、各コンデンサ素子に大きな電流が流れたとしても、コンデンサ素子の温度が耐熱温度を超えるのを抑制可能となり、コンデンサ素子の数を減らしても、印加される電流を従来のコンデンサと同等にすることができる。この結果、コイルと共に共振回路を構成するコンデンサモジュールの耐圧性能を良好に確保しつつ、サイズアップおよびコストアップを抑制することが可能となる。

また、基板を平面視した際に、複数の第２コンデンサ素子の各々は、それに電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子と、当該２つの第１コンデンサ素子に第２方向の一側で隣り合う２つの第１コンデンサ素子とが形成する四辺形領域内に含まれてもよい。更に、基板を平面視した際に、第２方向に隣り合う２つの素子列のうち、第２方向の一側に位置する一方に含まれる第１コンデンサ素子は、他方の素子列に含まれる第２コンデンサ素子から第２方向の一側に離間していてもよい。そして、上記コイルは、車外の非接触式送電装置からの電力を非接触で受電する非接触式受電装置の受電コイルであってもよく、車両に搭載された非接触式受電装置に電力を非接触で供給する非接触式送電装置の送電コイルであってもよい。すなわち、上述のようなコンデンサモジュールを非接触式受電装置や非接触式送電装置に適用することで、それらを含む給電システムのサイズアップやコストアップを抑制することが可能となる。

本発明によるコンデンサモジュールを有する非接触式受電装置を含む給電システムの概略構成図である。本発明によるコンデンサモジュールを示す平面図である。

次に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明によるコンデンサモジュールを有する非接触式受電装置を含む給電システム１を示す概略構成図である。同図に示す給電システム１は、図示しない電動機やバッテリを搭載したハイブリッド自動車あるいは電気自動車である車両１００に搭載される非接触式受電装置（以下、単に「受電装置」という）１０と、駐車場等の車両の停車スペースに設置される非接触式送電装置（以下、単に「送電装置」という）２０とを含む。受電装置１０は、フェライトコア上に配置された渦巻き状あるいは巻回型の受電コイル１１や、受電コイル１１に直列に接続されて当該受電コイル１１と共に共振回路を構成するコンデンサモジュール１２、これらを収容するケース１５等を有する。受電装置１０は、受電コイル１１の軸心（巻回軸）が車両１００の上下方向に延在するように当該車両１００のフロアパネルに取り付けられ、整流器等を介してバッテリに接続される。

送電装置２０は、フェライトコア上に配置された渦巻き状あるいは巻回型の送電コイル２１や、送電コイル２１に直列に接続されて当該送電コイル２１と共に共振回路を構成するコンデンサモジュール２２、電力機器２３、通信ユニット２４、これらを収容するケース２５等を有する。電力機器２３は、家庭用電源といった外部電源としての交流電源３０からの電力を直流電力に変換する整流器や、整流器からの電力を交流電力（高周波電力）に変換するインバータ、フィルタ、電子制御装置（制御回路）等を含む。電力機器２３に含まれる電子制御装置は、通信ユニット２４を介して車両１００の図示しない電子制御装置と情報をやり取りしながら、整流器やインバータ等を制御する。

図２は、受電装置１０に含まれるコンデンサモジュール１２を示す平面図である。同図に示すように、コンデンサモジュール１２は、基板１２０と、当該基板１２０の図１における表面（以下、単に「表面」という）すなわち第１面に実装された複数（本実施形態では、例えば９個）の第１コンデンサ素子１２１と、基板１２０の図２における裏面（以下、単に「裏面」という）すなわち第１面とは反対側の第２面に実装された複数（本実施形態では、例えば９個）の第２コンデンサ素子１２２とを含む。本実施形態では、第１および第２コンデンサ素子１２１，１２２として、セラミックコンデンサ素子が採用されている。なお、第１コンデンサ素子１２１と第２コンデンサ素子１２２との諸元（静電容量、耐圧、サイズ等）は、同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。また、基板１２０の表面に実装される複数の第１コンデンサ素子１２１の少なくとも何れか１つが他とは異なる諸元を有してもよく、基板１２０の裏面に実装される複数の第２コンデンサ素子１２２の少なくとも何れか１つが他とは異なる諸元を有してもよい。

図示するように、複数の第１コンデンサ素子１２１は、基板１２０の表面上に格子状（本実施形態では、３×３の格子状）に配列される。すなわち、複数の第１コンデンサ素子１２１は、第１方向としてのＸ方向（本実施形態では、基板１２０の長辺の延在方向）およびＸ方向と直交する第２方向としてのＹ方向（本実施形態では、基板１２０の短辺の延在方向）に沿って間隔をおいて並ぶように基板１２０の表面に実装される。本実施形態において、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の第１コンデンサ素子１２１同士の間隔ｘ１は一定とされ、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の第１コンデンサ素子１２１同士の間隔ｙ１も一定とされる。なお、複数形成される間隔ｘ１の少なくとも何れか１つが他とは異なっていてもよく、複数形成される間隔ｙ１の少なくとも何れか１つが他とは異なっていてもよい。更に、間隔ｘ１と間隔ｙ１とは、同一であってもよく、異なっていてもよい。

また、複数の第２コンデンサ素子１２２は、基板１２０の裏面上に格子状（本実施形態では、３×３の格子状）に配列される。すなわち、複数の第２コンデンサ素子１２２も、Ｘ方向（第１方向）およびＹ方向（第２方向）に沿って間隔をおいて並ぶように基板１２０の裏面に実装される。本実施形態において、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の第２コンデンサ素子１２２同士の間隔ｘ２は一定とされ、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の第２コンデンサ素子１２２同士の間隔ｙ２も一定とされる。なお、複数形成される間隔ｘ２の少なくとも何れか１つが他とは異なっていてもよく、複数形成される間隔ｙ２の少なくとも何れか１つが他とは異なっていてもよい。また、間隔ｘ２と間隔ｙ２とは、同一であってもよく、異なっていてもよい。

更に、基板１２０の表面に実装される第１コンデンサ素子１２１と、それに近接して基板１２０の裏面に実装される第２コンデンサ素子１２２とは、交互に電気的に直列接続される。すなわち、基板１２０の表面側でＸ方向に隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１には、基板１２０の裏面側の１つの第２コンデンサ素子１２２が電気的に直列接続される。また、基板１２０の表面の図中右端部側に配置される複数の第１コンデンサ素子１２１には、それぞれ裏面側の１つの第２コンデンサ素子１２２が電気的に直列接続される。

より詳細には、第２コンデンサ素子１２２の正極端子は、Ｘ方向に隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１の一方の負極端子に図示しないスルーホールや基板１２０の表裏面の少なくとも何れか一方に形成された配線パターンを介して電気的に接続される。更に、当該第２コンデンサ素子１２２の負極端子は、Ｘ方向に隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１の他方の正極端子に図示しないスルーホールや基板１２０の表裏面の少なくとも何れか一方に形成された配線パターンを介して電気的に接続される。

また、基板１２０の表面の図中左端部側に配置される複数の第１コンデンサ素子１２１の正極端子は、基板１２０の表面に形成された配線パターン等を介して当該基板１２０に設けられたコンデンサモジュール１２の正極端子１２３にそれぞれ電気的に接続される。更に、基板１２０の裏面の図中右端部側に配置される複数の第２コンデンサ素子１２２の負極端子は、基板１２０の裏面に形成された配線パターン等を介して当該基板１２０に設けられたコンデンサモジュール１２の負極端子１２４にそれぞれ電気的に接続される。これにより、コンデンサモジュール１２では、交互かつ直列に接続されるそれぞれ複数の第１および第２コンデンサ素子１２１，１２２により、Ｘ方向に沿って延びる複数（本実施形態では、３つ）の素子列１２５が構成され、複数の素子列１２５は、電気的に並列接続される。

そして、コンデンサモジュール１２において、複数の第２コンデンサ素子１２２の各々は、基板１２０を平面視した際に、それに電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子１２１のＸ方向における間で当該２つの第１コンデンサ素子１２１からＹ方向の一側（図２における下側）に離間するように基板１２０の裏面に配置される。また、Ｙ方向に隣り合う２つの素子列１２５のうち、Ｙ方向の一側（図２における下側）に位置する一方は、基板１２０を平面視した際に、当該一方の素子列１２５に含まれる第１コンデンサ素子１２１が他方（図２における上側）の素子列１２５に含まれる第２コンデンサ素子１２２からＹ方向の一側（図２における下側）に離間するように基板１２０の表面に配置される。

すなわち、基板１２０を平面視した際、第２コンデンサ素子１２２に直列接続される２つの第１コンデンサ素子１２１の一方は、当該第２コンデンサ素子１２２からＸ方向の一側（図２における左側）に間隔ｘ３だけ離間し、当該２つの第１コンデンサ素子１２１の他方は、当該第２コンデンサ素子１２２からＸ方向の他側（図２における右側）に間隔ｘ４だけ離間している。本実施形態において、Ｘ方向における間隔ｘ３と間隔ｘ４とは同一に定められる。ただし、間隔ｘ３と間隔ｘ４とは、互いに異なっていてもよい。

また、基板１２０を平面視した際に、第２コンデンサ素子１２２に直列接続される２つの第１コンデンサ素子１２１は、当該第２コンデンサ素子１２２からＹ方向の他側（図２における上側）に間隔ｙ３だけ離間している。更に、基板１２０を平面視した際に、第２コンデンサ素子１２２に電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子１２１にＹ方向の一側（図２における下側）で隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１は、当該第２コンデンサ素子１２２からＹ方向の一側（図２における下側）に間隔ｙ４だけ離間している。本実施形態において、Ｙ方向における間隔ｙ３と間隔ｙ４とは同一に定められる。ただし、間隔ｙ３と間隔ｙ４とは、互いに異なっていてもよい。

更に、基板１２０の裏面の図中右端部側に配置される第２コンデンサ素子１２２は、基板１２０を平面視した際に、それに直列接続される第１コンデンサ素子１２１からＸ方向の他側（図２における右側）に間隔ｘ３だけ離間し、当該第１コンデンサ素子１２１からＹ方向の一側（図２における下側）に間隔ｙ３だけ離間している。また、基板１２０の裏面の図中右端部側に配置される第２コンデンサ素子１２２は、それが直列接続される第１コンデンサ素子１２１にＹ方向の一側（図２における下側）で隣り合う第１コンデンサ素子１２１からＹ方向の他側（図２における上側）に間隔ｙ４だけ離間している。

これにより、基板１２０を平面視した際に、複数の第２コンデンサ素子１２２の各々は、負極端子１２４に接続されるものを除いて、それに電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子１２１と、当該２つの第１コンデンサ素子１２１にＹ方向の一側（図２における下側）で隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１とが形成する四辺形領域Ａ１内に含まれる。本実施形態において、四辺形領域Ａ１は、図２において一点鎖線で示すように、基板１２０を平面視した際に、互いに近接している４つの第１コンデンサ素子１２１の互いに近接している４つの角部を結んで得られる矩形領域である。そして、本実施形態では、上述のように、Ｘ方向における間隔ｘ３と間隔ｘ４とが同一に定められると共に、Ｙ方向における間隔ｙ３と間隔ｙ４とが同一に定められることから、基板１２０を平面視した際に、４つの第１コンデンサ素子１２１により囲まれる第２コンデンサ素子１２２は、上記四辺形領域Ａ１の中央部に位置することになる。

上述のように構成されるコンデンサモジュール１２では、Ｘ方向に隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１に対して１つの第２コンデンサ素子１２２が電気的に直列接続され、電気的に直列接続される第１および第２コンデンサ素子１２２により、それぞれ第１方向に沿って延びる複数の素子列１２５が構成される。また、コンデンサモジュール１２では、基板１２０を平面視した際に、複数の第２コンデンサ素子１２２の各々（負極端子１２４に接続されるものを除く）が、それに電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子１２１のＸ方向における間で当該２つの第１コンデンサ素子１２１からＹ方向の一側に離間している。言い換えれば、基板１２０を平面視した際に、第２コンデンサ素子１２２に直列接続される２つの第１コンデンサ素子１２１は、それぞれ当該第２コンデンサ素子１２２からＸ方向およびＹ方向の双方において離間している。

これにより、コンデンサモジュール１２では、基板１２０の表面における互いに隣り合う第１コンデンサ素子１２１同士の間隔、基板１２０の裏面における互いに隣り合う第２コンデンサ素子１２２同士の間隔、および基板１２０を平面視した際に互いに近接する第１および第２コンデンサ素子１２２の間隔を充分に確保することができる。更に、第１コンデンサ素子１２１が基板１２０の表面に配置されると共に、第２コンデンサ素子１２２が基板１２０の裏面に配置されることで、第１コンデンサ素子１２１と第２コンデンサ素子１２２とは熱的に分離（離間）される。従って、第１および第２コンデンサ素子１２２に印加される電流の値をより大きくしても、基板１２０の表面および裏面における発熱密度を良好に小さくすることが可能となり、並列に配列される素子列１２５の数を低減化して基板１２０のサイズアップとコンデンサ素子数の増加を良好に抑制することができる。

すなわち、基板の両面に複数のコンデンサ素子を格子状に実装すると共に、基板の一辺に沿って並ぶ複数のコンデンサ素子を直列に接続し、直列接続された複数のコンデンサ素子を含む複数の素子列を並列接続する場合、耐熱温度を考慮して１つのコンデンサ素子に印加される電圧を例えば１Ａ以下に抑えなければならないことがある。そして、このような場合、並列に配列される素子列の数を増加させざるを得ず、表裏面合わせて例えば合計９６個（片面６×８＝４８個、合計１６並列）のコンデンサ素子が必要となることがある。これに対して、上述のようなコンデンサモジュール１２では、耐熱温度を考慮しても１つのコンデンサ素子に印加される電圧を例えば６Ａ程度にすることができるので、第１および第２コンデンサ素子１２１，１２２の総数を上述のように例えば１８個（合計３並列）と大幅に低減化することが可能となる。

以上説明したように、コンデンサモジュール１２は、受電コイル１１と共に共振回路を構成するものであり、基板１２０と、当該基板１２０の表面（第１面）にＸ方向（第１方向）および当該Ｘ方向と直交するＹ方向（第２方向）に沿って間隔をおいて並ぶように実装された複数の第１コンデンサ素子１２１と、基板１２０の表面とは反対側の裏面（第２面）に実装されると共に、それぞれＸ方向に隣り合う２つの第１コンデンサ素子１２１に電気的に直列接続される複数の第２コンデンサ素子１２２とを含む。そして、基板１２０を平面視した際に、複数の第２コンデンサ素子１２２の各々（負極端子１２４に接続されるものを除く）は、それに電気的に接続される２つの第１コンデンサ素子１２１のＸ方向における間で当該２つの第１コンデンサ素子１２１からＹ方向の一側に離間している。

これにより、コンデンサモジュール１２では、第１および第２コンデンサ素子１２１，１２２の温度が上昇し難くなることから、第１および第２コンデンサ素子１２１，１２２の各々に大きな電流が流れたとしても、第１および第２コンデンサ素子１２１，１２２の各々の温度が耐熱温度を超えるのを抑制可能となり、第１および第２コンデンサ素子１２１，１２の総数を減らしても、印加される電流を従来のコンデンサと同等にすることができる。この結果、受電コイル１１と共に共振回路を構成するコンデンサモジュール１２の耐圧性能を良好に確保しつつ、サイズアップおよびコストアップを抑制することが可能となる。

なお、上記実施形態において、基板１２０を平面視した際に、複数の第２コンデンサ素子１２２の各々は、負極端子１２４に接続されるものを除いて、四辺形領域Ａ１内に含まれるが、これに限られるものではない。すなわち、上述の間隔ｙ３またはｙ４を小さくするか、無くすかして、第２コンデンサ素子１２２が互いに近接している４つの第１コンデンサ素子１２１の互いに最も離間している４つの角部を結んで得られる四辺形領域Ａ２（図２における二点鎖線参照）に含まれるようにしてもよい。これにより、基板１２０のＹ方向における寸法をより小さくすることが可能となる。更に、基板１２０をＸ方向にみた際に、Ｙ方向に隣り合う２つの素子列１２５のうち、Ｙ方向の一側に位置する一方に含まれる第１コンデンサ素子１２１は、他方の素子列１２５に含まれる第２コンデンサ素子１２２と部分的もしくは全体に重なり合ってもよい。

また、Ｘ方向に間隔をおいて配置される複数の第１コンデンサ素子１２１は、完全に一直線上に並んでいなくてもよく、Ｙ方向に間隔をおいて配置される複数の第１コンデンサ素子１２１も、完全に一直線上に並んでいなくてもよい。更に、Ｘ方向に間隔をおいて配置される複数の第２コンデンサ素子１２２は、完全に一直線上に並んでいなくてもよく、Ｙ方向に間隔をおいて配置される複数の第２コンデンサ素子１２２も、完全に一直線上に並んでいなくてもよい。また、上記Ｘ方向およびＹ方向は、互いに直交するものとして説明されたが、両者は、互いに交差していればよく、必ずしも互いに直交するものである必要はない。更に、送電コイル２１と共に共振回路を構成する非接触式送電装置２０のコンデンサモジュール２２を上述のコンデンサモジュール１２と同様に構成してもよい。すなわち、上述のような本発明によるコンデンサモジュールを非接触式受電装置１０や非接触式送電装置２０に適用することで、それらを含む給電システム１のサイズアップやコストアップを抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。

本発明は、コイルと共に共振回路を構成するコンデンサモジュールの製造産業等において利用可能である。

１給電システム、１０非接触式受電装置、１１受電コイル、１２コンデンサモジュール、１５ケース、１２０基板、１２１第１コンデンサ素子、１２２第２コンデンサ素子、１２３正極端子、１２４負極端子、１２５素子列、２０非接触式送電装置、２１送電コイル、２２コンデンサモジュール、２３電力機器、２４通信ユニット、２５ケース、３０交流電源、１００車両。

Claims

コイルと共に共振回路を構成するコンデンサモジュールにおいて、
基板と、
前記基板の第１面に第１方向および該第１方向と交差する第２方向に沿って間隔をおいて並ぶように実装された複数の第１コンデンサ素子と、
前記基板の前記第１面とは反対側の第２面に実装されると共に、それぞれ前記第１方向に隣り合う２つの前記第１コンデンサ素子に電気的に直列接続される複数の第２コンデンサ素子とを備え、
前記基板を平面視した際に、前記複数の第２コンデンサ素子の各々は、それに電気的に接続される前記２つの前記第１コンデンサ素子の前記第１方向における間で該２つの前記第１コンデンサ素子から前記第２方向の一側に離間していることを特徴とするコンデンサモジュール。