JP7086527B2 - 無線電力伝送システムおよびシートコイル - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送システムおよびシートコイルに関する。

従来から、無線で充電可能な二次電池ユニットが知られている。このような二次電池ユニットは、電子機器に装着した状態で、対応する充電器を用いて無線で充電できるため、利便性が高い。

このような二次電池ユニットとしては、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の電池ユニットは、二次電池と、外部から供給される電力を受電する受電コイルと、受電した電力を用いて二次電池の充電を行う回路基板とを備える。

この電池ユニットに用いられる受電コイルとして、銅線などの線材を巻くことで環状に形成されている巻きコイルが使用されている。巻きコイルは、銅線と、それを保護するカバー層とを備えるコイル部材からなり、コイル部材を巻くときに、互いに隣接するカバー層同士を融着および固定することにより得られる。

特開２０１５－８８３７６号公報

ところで、近年、高効率の電力を伝送できる観点から、電流を高周波化にすることが検討されている。

しかし、特許文献１に記載の巻きコイルを用いて、例えば１ＭＨｚ以上の高周波の電力を伝送すると、巻きコイルの抵抗値が過度に上昇する不具合が生じる。そうすると、受電効率が大幅に低下する。

本発明は、高周波の電力を伝送でき、受電コイル部材の抵抗値が良好な無線電力伝送システムおよびそれに用いるシートコイルを提供することにある。

本発明［１］は、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を発生させる発振回路と、前記電力が流れる送電コイル部材とを備える送電装置と、前記送電コイル部材から発生する磁界によって発電可能な受電コイル部材を備える受電装置とを備え、前記受電コイル部材は、絶縁層と、前記絶縁層の一方面に配置される第１コイルパターンとを備えるシートコイルであり、前記第１コイルパターンは、配線からなり、前記配線は、前記第１コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されている、無線電力伝送システムを備えている。

本発明［２］は、前記第１コイルパターンにおいて、前記配線の幅が、２０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記間隔が、２０μｍ以上２００μｍ以下である、［１］に記載の無線電力伝送システムを備えている。

本発明［３］は、前記シートコイルは、前記絶縁層の他方面に配置される第２コイルパターンをさらに備え、前記第２コイルパターンは、配線からなり、前記第２コイルパターンの前記配線は、前記第２コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されている、［１］または［２］に記載の無線電力伝送システムを備えている。

本発明［４］は、絶縁層と、前記絶縁層の一方面に配置される第１コイルパターンとを備え、前記第１コイルパターンは、配線からなり、前記配線は、前記第１コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されており、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を受電する、シートコイルを備えている。

本発明［５］は、前記シートコイルは、前記絶縁層の他方面に配置される第２コイルパターンをさらに備え、前記第２コイルパターンは、配線からなり、前記第２コイルパターンの前記配線は、前記第２コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されている、［４］に記載のシートコイルを備えている。

本発明のシートコイルを備える本発明の無線電力伝送システムでは、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を発生させる発振回路、および、送電コイル部材を有する送電装置と、受電コイル部材を有する受電装置とを備えている。そのため、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下という高周波の電力を伝送することができる。

また、この無線電力伝送システムでは、受電コイル部材が、絶縁層と、配線からなる第１コイルパターンとを備えており、配線が、第１コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。そのため、特に、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚの周波数の電流において、配線を流れる電流が、隣接する配線を流れる電流と反発する現象（近接効果）を抑制して、配線断面において電流の流れる分布の偏りを抑制することができる。そのため、受電コイル部材の抵抗値の上昇を抑制することができる。

図１は、本発明の無線電力伝送システムの一実施形態の斜視図を示す。 図２Ａ－Ｂは、図１に示す無線電力伝送システムの受電コイル部材の展開図を示し、図２Ａは、平面図、図２Ｂは、底面図を示す。 図３は、図３Ａに示す受電コイル部材のＡ－Ａ側断面図を示す。 図４は、図１に示す無線電力伝送システムのブロック図を示す。 図５Ａ－Ｂは、本発明の受電コイル部材の変形例（受電コイル部材が一部材として独立している形態）を示し、図５Ａは、平面図、図５Ｂは、底面図を示す。 図６は、実施例および比較例の受電コイル部材の抵抗値を測定したグラフを示す。

＜一実施形態＞
本発明の一実施形態について、図を参照しながら以下に説明する。図２Ａにおいて、紙厚方向は、上下方向（厚み方向、第１方向）であって、紙面手前側が、上側（厚み方向一方側、第１方向一方側）、紙面奥側が、下側（厚み方向他方側、第１方向他方側）である。また、図２Ａにおいて、紙面左右方向は、左右方向（第１方向に直交する第２方向）であり、紙面左側が左側（第２方向一方側）、紙面右側が右側（第２方向他方側）である。また、図２Ａにおいて、紙面上下方向は、前後方向（第１方向および第２方向に直交する第３方向）であり、紙面下側が前側（第３方向一方側）、紙面上側が後側（第３方向他方側）である。具体的には、各図の方向矢印に準拠する。なお、図１～図２Ｂでは、第１カバー絶縁層は、省略している。

図１～図４を参照して、本発明の無線電力伝送システムの一実施形態を説明する。

無線電力伝送システム１は、図１に示すように、受電装置２と、送電装置３とを備えている。

受電装置２は、受電コイル部材４、制御回路基板５、二次電池６、磁性シート７および受電装置筐体８を備える。

受電コイル部材４は、シートコイルであって、送電装置３によって送電される電力を受電するコイルであり、具体的には、後述する送電コイル部材３０から発生する磁界によって発電可能（受電可能）なコイルである。

受電コイル部材４は、図３に示すように、絶縁層としてのベース絶縁層１０と、第１コイルパターン１１と、第２コイルパターン１２と、コイルビア部１３と、第１ジョイント配線１４と、第２ジョイント配線１５と、ジョイントビア部１６と、第１カバー絶縁層２０と、第２カバー絶縁層２１とを備えている。

ベース絶縁層１０は、図２Ａ～図２Ｂに示すように、受電コイル部材４の外形形状をなし、コイルベース部１７およびジョイントベース部１８を有している。

コイルベース部１７は、平面視略円形状を有している。コイルベース部１７の平面視略中央には、図３に示すように、上下方向（厚み方向）に貫通する第１ビア開口部１９が形成されている。第１ビア開口部１９には、後述するコイルビア部１３が配置されている。

ジョイントベース部１８は、左右方向に延びる平面視略矩形状を有している。ジョイントベース部１８の左端は、コイルベース部１７の右端と一体的に連続し、ジョイントベース部１８の右端は、制御回路基板５の制御回路ベース絶縁層２５（後述）の左端と一体的に連続している。ジョイントベース部１８の左右方向および前後方向の中央には、上下方向に貫通する第２ビア開口部（図示せず）が形成されている。第２ビア開口部には、後述するジョイントビア部１６が配置されている。

ベース絶縁層１０は、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂などの合成樹脂などの絶縁材料から形成されている。好ましくは、ポリイミド樹脂から形成されている。

ベース絶縁層１０の厚みは、例えば、１μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上であり、また、例えば、１００μｍ以下、好ましくは、６０μｍ以下である。

第１コイルパターン１１は、コイルベース部１７の上面（上側の表面、一方面）に配置されている。具体的には、第１コイルパターン１１は、第１コイルパターン１１の下面がコイルベース部１７の上面に接触するように、コイルベース部１７の上側に配置されている。第１コイルパターン１１は、配線２２からなるコイル状の配線パターンである。

第１コイルパターン１１は、図２Ａに示すように、平面視において、コイルビア部１３から径方向外側に向かう曲線からなる渦巻き状に形成されている。第１コイルパターン１１は、ジョイントベース部１８付近の外周端に至るまで渦巻き状に形成され、ジョイントベース部１８付近の外周端において、第１ジョイント配線１４と一体的に連続している。

第１コイルパターン１１を構成する配線２２の径方向に沿う断面視形状は、図３に示すように、略矩形状に形成されている。

第２コイルパターン１２は、コイルベース部１７の下面（下側の表面、他方面）に配置されている。具体的には、第２コイルパターン１２は、第２コイルパターン１２の上面がコイルベース部１７の下面に接触するように、コイルベース部１７の下側に配置されている。第２コイルパターン１２は、配線２２からなるコイル状の配線パターンである。

第２コイルパターン１２は、図２Ｂに示すように、底面視において、コイルビア部１３から径方向外側に向かう曲線からなる渦巻き状に形成されている。第２コイルパターン１２は、ジョイントベース部１８付近の外周端に至るまで渦巻き状に形成され、ジョイントベース部１８付近の外周端において、第２ジョイント配線１５と一体的に連続している。

第２コイルパターン１２を構成する配線２２の径方向に沿う断面視形状は、略矩形状に形成されている。

第２コイルパターン１２の中間部における底面視形状（渦巻き形状パターン）は、第１コイルパターン１１の中間部における平面視形状と略同一である。すなわち、第２コイルパターン１２の配線２２の幅Ｌおよび配線２２同士の間隔Ｓは、それぞれ、第１コイルパターン１１の配線２２の幅Ｌおよび間隔Ｓと略同一であり、第２コイルパターン１２の巻き数は、第１コイルパターン１１の巻き数と同数である。

第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２のそれぞれにおいて、配線２２の幅Ｌ（配線２２の径方向長さ）は、例えば、５μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上であり、また、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。

第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２のそれぞれにおいて、配線２２の高さ（厚み）Ｔは、例えば、３μｍ以上、好ましくは、１０μｍ以上であり、また、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下である。

第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２のそれぞれにおいて、配線２２の幅Ｌと厚みＴとのアスペクト比（Ｌ／Ｔ）は、例えば、１．０を超過し、好ましくは、２．０以上であり、また、例えば、１０以下、好ましくは、５．０以下である。

第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２のそれぞれにおいて、配線２２間の間隔Ｓ（互いに隣接する配線２２間の径方向距離）は、例えば、５μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上であり、また、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。

第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２のそれぞれにおいて、間隔Ｓに対する幅Ｌの割合（Ｌ／Ｓ）は、例えば、０．５以上、好ましくは、０. ７以上、より好ましくは、１．０以上であり、また、例えば、５．０以下、好ましくは、３．０以下、より好ましくは、２．０以下である。

第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２のそれぞれにおいて、コイルの巻き数は、例えば、１以上、好ましくは、３以上であり、また、例えば、５００以下、好ましくは、３００以下、より好ましくは、１００以下である。

コイルビア部１３は、コイルベース部１７の平面視略中央に配置されている。コイルビア部１３は、上下方向に投影したときに、第１ビア開口部１９を含むように配置されている。コイルビア部１３は、平面視略円形状に形成されており、第１ビア開口部１９内に充填される充填部と、充填部からベース絶縁層１０の上面に突出する上部と、充填部からベース絶縁層１０の下面に突出する下部とを備えている。コイルビア部１３は、第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２を電気的に接続する。

第１ジョイント配線１４は、第１コイルパターン１１と、制御回路２６とを電気的に接続する配線である。第１ジョイント配線１４は、ジョイントベース部１８の上面に配置されている。具体的には、第１ジョイント配線１４は、第１ジョイント配線１４の下面がジョイントベース部１８の上面に接触するように、ジョイントベース部１８の上側に配置されている。第１ジョイント配線１４は、配線２２からなり、左右方向に延びる直線状のパターンである。第１ジョイント配線１４の左端は、第１コイルパターン１１の外側端縁と一体的に連続し、第１ジョイント配線１４の右端は、制御回路２６の左端と一体的に連続している。

第２ジョイント配線１５は、第２コイルパターン１２と制御回路２６とを電気的に接続する配線である。第２ジョイント配線１５は、第２下側ジョイント配線２３および第２上側ジョイント配線２４を備えている。

第２下側ジョイント配線２３は、ジョイントベース部１８の下面に配置されている。第２下側ジョイント配線２３は、配線２２からなり、左右方向に延びる直線状のパターンである。第２下側ジョイント配線２３の左端は、第２コイルパターン１２の外側端縁と一体的に連続し、第２下側ジョイント配線２３の右端は、ジョイントビア部１６と一体的に連続している。

第２上側ジョイント配線２４は、ジョイントベース部１８の上面に配置されている。第２上側ジョイント配線２４は、配線２２からなり、左右方向に延びる直線状のパターンである。第２上側ジョイント配線２４の左端は、ジョイントビア部１６と一体的に連続し、第２上側ジョイント配線２４の右端は、制御回路２６の左端と一体的に連続している。

ジョイントビア部１６は、コイルベース部１７の平面視略中央付近に配置されている。ジョイントビア部１６は、上下方向に投影したときに、第２ビア開口部を含むように配置されている。ジョイントビア部１６は、平面視略円形状に形成されており、第２開口部内に充填される充填部と、充填部からベース絶縁層１０の上面に突出する上部と、充填部からベース絶縁層１０の下面に突出する下部とを備えている。ジョイントビア部１６は、第２下側ジョイント配線２３および第２上側ジョイント配線２４を電気的に接続する。

配線２２およびビア部（コイルビア部１３およびジョイントビア部１６）を構成する材料としては、例えば、銅、銀、金、ニッケル、はんだ、またはそれらの合金などの金属材料が挙げられる。好ましくは、銅が挙げられる。

第１カバー絶縁層２０は、上側配線（第１コイルパターン１１、第１ジョイント配線１４および第２上側ジョイント配線２４）およびビア部（１３、１６）の上側に配置されている。具体的には、第１カバー絶縁層２０は、上側配線およびビア部の上面および側面、ならびに、上側配線およびビア部から露出するベース絶縁層１０の上面を被覆するように、上側配線、ビア部およびベース絶縁層１０の上側に配置されている。

第１カバー絶縁層２０は、平面視略円形形状を有している。上下方向に投影したときに、第１カバー絶縁層２０は、上側配線を含み、かつ、第１カバー絶縁層２０は、ベース絶縁層１０に含まれる。

第２カバー絶縁層２１は、下側配線（第２コイルパターン１２および第２下側ジョイント配線２３）およびビア部（１３、１６）の下側に配置されている。具体的には、第２カバー絶縁層２１は、下側配線およびビア部の下面および側面、ならびに、下側配線およびビア部から露出するベース絶縁層１０の下面を被覆するように、下側配線、ビア部およびベース絶縁層１０の下側に配置されている。

第２カバー絶縁層２１は、平面視略円形形状を備えている。上下方向に投影したときに、第２カバー絶縁層２１は、下側配線を含み、かつ、第２カバー絶縁層２１は、ベース絶縁層１０に含まれる。

第１カバー絶縁層２０および第２カバー絶縁層２１は、ベース絶縁層１０で上記した絶縁材料と同様の材料から形成されており、好ましくは、ポリイミド樹脂から形成されている。

第１カバー絶縁層２０および第２カバー絶縁層２１の厚みは、それぞれ、例えば、２μｍ以上、好ましくは、５μｍ以上であり、また、例えば、７０μｍ以下、好ましくは、６０μｍ以下である。

受電コイル部材４は、制御回路基板５とともに、例えば、サブトラクティブ法またはアディティブ法によって製造することができる。例えば、開口部を備えるベース絶縁層１０を用意し、サブトラクティブ法またはアディティブ法によって、その上面に上側配線を形成し、下面に下側配線を形成すると同時に、開口部にビア部を形成する。次いで、その上面に、第１カバー絶縁層２０を形成し、その下面に、第２カバー絶縁層２１を形成する。

制御回路基板５は、フレキシブル配線回路基板であって、制御回路ベース絶縁層２５および制御回路２６を備える。

制御回路ベース絶縁層２５は、制御回路２６を支持する絶縁層である。制御回路ベース絶縁層２５は、平面視略矩形状の平板形状を有している。制御回路ベース絶縁層２５は、ベース絶縁層１０と連続して一体的に形成されている。制御回路ベース絶縁層２５を形成する材料は、ベース絶縁層１０を形成する材料と同様の材料が挙げられる。

制御回路２６は、受電時において、受電コイル部材４からの電力を制御する回路である。具体的には、受電時において、受電コイル部材４からの交流を直流に変換して、二次電池６に供給する回路である。制御回路２６は、制御回路ベース絶縁層２５の上面に配置されている。制御回路２６は、制御素子２７および制御回路接続配線２８を備えている。

制御素子２７としては、例えば、整流器（ＡＣ／ＤＣコンバータ）、変圧器、充電制御器などが挙げられる。

制御回路接続配線２８は、受電コイル部材４、制御素子２７および二次電池６を電気的に接続する配線である。

具体的には、制御回路接続配線２８は、受電コイル部材４側の２つの端部において、一端が、第１ジョイント配線１４の右端と一体的に連続し、他端が、第２ジョイント配線１５の右端と一体的に連続する。また、制御回路接続配線２８は、二次電池６側の２つの端部において、一端が、二次電池６の負極端子と接触し、他端が、二次電池６の正極端子と接触する。制御回路接続配線２８は、その途中において、制御素子２７と接続している。

二次電池６は、充放電可能な電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、銀亜鉛二次電池など挙げられる。

磁性シート７は、図1に示すように、受電コイル部材４の上側に、受電コイル部材４に直接配置され、または、図示しない粘着剤層や接着剤層などを介して配置されている。具体的には、磁性シート７は、磁性シート７および受電コイル部材４のそれぞれが面方向に平行に並ぶように、受電コイル部材４の上側に配置されている。

磁性シート７は、平面視略円形状の平板形状を有し、平面視において、受電コイル部材４と略同一の大きさおよび形状に形成されている。

磁性シート７は、磁性体を含有するシートであり、例えば、磁性体粒子含有樹脂シート、磁性体焼結シートなどが挙げられる。

磁性体粒子含有樹脂シートは、磁性体粒子および樹脂成分を含有する組成物からシート状に形成されている。

磁性体粒子を構成する磁性体としては、例えば、軟磁性体および硬磁性体などが挙げられ、好ましくは、軟磁性体が挙げられる。軟磁性体としては、例えば、磁性ステンレス（Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ－Ｓｉ合金）、センダスト（Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ合金）、パーマロイ（Ｆｅ－Ｎｉ合金）、ケイ素銅（Ｆｅ－Ｃｕ－Ｓｉ合金）、Ｆｅ－Ｓｉ合金、Ｆｅ－Ｓｉ―Ｂ（－Ｃｕ－Ｎｂ）合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｒ合金、フェライトなどが挙げられる。

樹脂成分としては、例えば、ブタジエンゴム、スチレン－ブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリルゴム、ポリアクリル酸エステル、エチレン－酢酸ビニル共重合体、スチレンアクリレート共重合体などのゴム質重合体が挙げられる。また、上記以外にも、樹脂成分としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂などの熱硬化性樹脂、例えば、ポリオレフィン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂などが挙げられる。

磁性体焼結体は、上記した磁性体を焼結してシート状に形成したものであり、例えば、フェライトシートなどが挙げられる。

磁性シート７の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上であり、また、例えば、５００μｍ以下、好ましくは、３００μｍ以下である。

受電装置筐体８は、図１に示すように、箱型形状を有し、受電コイル部材４、制御回路基板５、二次電池６および磁性シート７をその内部に収容している。

（送電装置）
送電装置３は、図１に示すように、送電コイル部材３０と、発振回路基板３１と、外部電源接続手段３２と、送電装置筐体３３とを備えている。

送電コイル部材３０は、受電コイル部材４と同一の構成を備える。すなわち、送電コイル部材３０は、ベース絶縁層１０、第１コイルパターン１１、第２コイルパターン１２、コイルビア部１３、第１ジョイント配線１４、第２ジョイント配線１５、ジョイントビア部１６、第１カバー絶縁層２０、および、第２カバー絶縁層２１を備えている。

発振回路基板３１は、発振回路ベース絶縁層３４および発振回路３５を備える。

発振回路ベース絶縁層３４は、発振回路３５を支持する絶縁層である。発振回路ベース絶縁層３４は、平面視略矩形状の平板形状を有している。発振回路ベース絶縁層３４は、ベース絶縁層１０と連続して一体的に形成されている。発振回路ベース絶縁層３４を形成する材料は、ベース絶縁層１０を形成する材料と同様の材料が挙げられる。

発振回路３５は、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を発生させる回路である。発振回路３５は、発振回路ベース絶縁層３４の上面に配置されている。発振回路３５は、発振素子３６および発振回路配線接続３７を備えている。

発振素子３６としては、例えば、ＬＣ発振回路方式、ＣＲ発振回路方式、水晶発振回路方式、スイッチング回路方式などのいずれに用いる素子であってもよい。

発振回路配線接続３７は、送電コイル部材３０、発振素子３６、および、外部電源接続手段３２を電気的に接続する配線である。

具体的には、発振回路配線接続３７は、送電コイル部材３０側の２つの端部において、一端が、送電コイル部材３０の第１ジョイント配線１４の右端と一体的に連続し、他端が、送電コイル部材３０の第２ジョイント配線１５の右端と一体的に連続する。また発振回路配線接続３７は、送電コイル部材３０側とは反対側の端部において、外部電源接続手段３２と接続している。また、発振回路配線接続３７は、その途中において、発振素子３６と接続している。

外部電源接続手段３２は、外部電源４０に接続可能な手段であり、例えば、ＡＣアダプタ、ＵＳＢ端子などが挙げられる。

送電装置筐体３３は、箱型形状を有し、送電コイル部材３０、発振回路基板３１および外部電源接続手段３２をその内部に収容し、外部電源接続手段３２の一部を露出している。

（無線電力伝送システム）
この無線電力伝送システム１は、無線にて送電装置３から受電装置２に電力を伝送する。すなわち、図４が参照されるように、送電装置３において、外部電源４０により発振回路３５に供給された電力は、発振回路３５によって１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数の電力に変換され、送電コイル部材３０から磁界が発生する。受電コイル部材４は、その磁界の影響によって、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数の電力を受電する。受電された電力は、制御回路２６によって、所望電圧の直流に変換および制御され、二次電池６に給電される。これにより、二次電池６が充電される。

なお、充電された二次電池６において、二次電池６の正極端子に、外部電子機器（図示せず）の正極端子を直接または間接的に接触させ、これらの端子を電気的に接続する。また、二次電池６の負極端子に、外部電子機器の負極端子を直接または間接的に接触させ、これらの端子を電気的に接続する。これにより、受電した電力を二次電池６が放電し、外部電子機器を駆動させることができる。

受電コイル部材４と送電コイル部材３０との間における磁界による電力伝送は、磁界共鳴方式および電磁誘導方式のいずれであってもよい。好ましくは、伝送距離を長くできる観点、および、コイルの位置ずれに対しても高効率な電力伝送が可能である観点から、磁界共鳴方式が挙げられる。

（用途）
このような無線電力伝送システム１およびそれに用いる受電コイル部材４（シートコイル）は、従来の二次電池および一次電池を用いる電子機器に幅広く使用することができる。そのような電子機器（外部電子機器）としては、例えば、補聴器、スマートグラス、スマートウォッチなどのウェアラブル端末、例えば、スピーカー、例えば、医療機器などが挙げられる。

この無線電力伝送システム１は、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を発生させる発振回路３５と、送電コイル部材３０とを有する送電装置３を備える。また、送電コイル部材３０から発生する磁界によって発電可能な受電コイル部材４を有する受電装置を備える。

このため、無線電力伝送システム１は、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下（好ましくは、１．５ＭＨｚ以上４ＭＨｚ以下、より好ましくは、１．５ＭＨｚ以上３ＭＨｚ以下）という高周波の電力を無線で送電装置３から受電装置２に伝送することができる。

また、この無線電力伝送システム１では、受電コイル部材４が、ベース絶縁層１０と、配線２２からなる第１コイルパターン１１とを備えており、配線２２が、第１コイルパターン１１の径方向に沿って、互いに所定の間隔Ｓを隔てて配置されている。

このため、特に１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の高周波数の電流において、配線２２を流れる電流が、隣接する配線２２を流れる電流と反発する現象（近接効果）を抑制することができる。このため、配線２２断面において電流の流れる分布の偏りを抑制して、電流の流れる面積の低下を抑制することができる。よって、受電コイル部材４の抵抗値の上昇を抑制することができる。

したがって、無線電力伝送システム１は、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の高周波の電力を高効率で伝送することができる。

また、この無線電力伝送システム１によれば、第１コイルパターン１１において、配線２２の幅Ｌが、２０μｍ以上２００μｍ以下であり、間隔Ｓが、２０μｍ以上２００μｍ以下である。このため、近接効果をより一層抑制でき、受電コイル部材４の抵抗値の上昇を抑制することができる。また、受電コイル部材４をコンパクトにしつつ、受電効率を向上させることができる。

また、この無線電力伝送システム１によれば、受電コイル部材４は、ベース絶縁層１０の下面に配置される第２コイルパターン１２をさらに備えている。また、第２コイルパターン１２は、配線２２からなり、第２コイルパターン１２の配線２２は、第２コイルパターン１２の径方向に沿って、互いに所定の間隔Ｓを隔てて、配置されている。

このため、コンパクトな形状で、近接効果を抑制できる受電コイル部材４の巻き数を増加することができる。したがって、コンパクトな形状で、受電効率をより一層向上させることができる。

また、無線電力伝送システム１は、磁性シート７をさらに備える。そのため、受電コイル部材４が送電装置３から電力を受ける際に、近接効果を抑制しながら、その電力を受電コイル部材４に収束させることができる。そのため、電力受電効率を向上させることができる。

また、シートコイルである受電コイル部材４は、ベース絶縁層１０と、その上面に配置される第１コイルパターン１１とを備えている。このため、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力が第１コイルパターン１１の配線２２に流れる際に生じる近接効果を抑制できる。したがって、受電コイル部材の抵抗値の上昇を抑制することができる。

また、受電コイル部材４は、第２コイルパターン１２をさらに備えている。このため、コンパクトな形状で、受電効率をより一層向上させることができる。

＜変形例＞
図１に示す一実施形態では、受電装置２は、受電コイル部材４および制御回路基板５が一体的に形成されているが、例えば、受電コイル部材４および制御回路基板５は、別々の部材から構成されていてもよい。

この実施形態では、受電コイル部材４は、図５Ａ～図５Ｂに示すように、一部材として独立している。受電コイル部材４は、制御回路基板９の制御回路２６と電気的に接続するために複数（２つ）の端子（第１端子４１および第２端子４２）をさらに備えている。

第１端子４１は、ジョイントベース部１８の上面に配置されている。具体的には、ジョイントベース部１８の右端に配置されている。第１端子４１は、平面視略形状を有しており、その左端は、第１ジョイント配線１４の右端と一体的に連続している。

第２端子４２は、ジョイントベース部１８の上面に配置されている。具体的には、第２端子４２は、第１端子４１の前側、かつ、ジョイントベース部１８の右端に配置されている。第２端子４２は、平面視略矩形状を有している。上下方向に投影したときに、ジョイントビア部１６を含む。すなわち、第２端子４２は、ジョイントビア部１６と一体的に連続している。

制御回路基板９は、図示しないが、一部材として独立しており、第１端子４１および第２端子４２のそれぞれと電気的に接続するための複数（２つ）の端子をさらに備えている。

図１に示す一実施形態では、受電コイル部材４のベース絶縁層１０は、平面視略円形状に形成されているが、例えば、図示しないが、平面視略矩形状に形成されていてもよい。

図１に示す実施形態では、第１コイルパターン１１および第２コイルパターン１２は、それぞれ、曲線からなる渦巻き形状を有しているが、例えば、図示しないが、四角状の渦巻き形状を有していてもよい。

図１に示す実施形態では、第２コイルパターン１２の中間部は、上下方向に投影したときに、第１コイルパターン１１の中間部と一致しているが、例えば、図示しないが、第２コイルパターン１２の中間部は、上下方向（厚み方向）に投影したときに、第１コイルパターン１１の中間部と一致しなくてもよい。すなわち、第２コイルパターン１２の配線２２の幅Ｌおよび配線２２同士の間隔Ｓは、それぞれ、第１コイルパターン１１の配線２２の幅Ｌおよび間隔Ｓと互いに異なっていてもよく、また、第２コイルパターン１２の巻き数は、第１コイルパターン１１の巻き数と互いに異なっていてもよい。

図１に示す実施形態では、送電コイル部材３０は、受電コイル部材４と同一のシートコイルであるが、例えば、図示しないが、送電コイル部材３０は、受電コイル部材４と異なるコイルであってもよく、例えば、巻きコイルなどであってもよい。

以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、何ら実施例および比較例に限定されない。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値（「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値（「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。

＜実施例１＞
ポリイミドからなるベース絶縁層（厚み２５μｍ）の両面に銅層（厚み３５μｍ）が積層された銅張積層板を用意した。この銅張積層板の銅層に、サブトラクティブ法により、第１コイルパターン、第２コイルパターン、第１ジョイント配線、第２ジョイント配線、第１端子および第２端子を形成した。次いで、スルーホールメッキにより、コイルビア部およびジョイントビア部を形成した。これにより、図５に示す受電コイル部材を作製した。

なお、第１コイルパターンおよび第２コイルパターンにおいて、それらの平面視形状を曲線からなる渦巻き状とし、それぞれのコイルパターンの銅配線の巻き数を１３回、配線幅Ｌを２００μｍ、配線間の間隔Ｓを１００μｍ、配線高さＴを５０μｍとした。

＜比較例１＞
比較例として、銅線が絶縁カバー層により被覆されたカバー銅線が、渦巻状に巻回されてなる市販の巻きコイル（コイルユニット「ＷＲ２０２０１０－１８Ｍ８－ＩＤ」（ＴＤＫ社製）から磁性シートを剥離した巻きコイル）を、比較例１の受電コイル部材とした。巻きコイルは、２層構造であり、１層当たりの銅線の巻き数は、１３回であり、銅線（断面視円形状）の直径は３００μｍであった。

＜評価＞
実施例および比較例の受電コイル部材をネットワーク・アナライザ（キーサイトテクノロジー社製、「Ｅ５０６１Ｂ」）に電気的に接続して、インピーダンスアナライザモードにて、周波数１００ｋＨ_Ｚ～１０ＭＨｚでの抵抗値を測定した。その測定グラフを図６に示す。

図６から明らかなように、実施例１の受電コイル部材は、１ＭＨｚ付近以上（特に、１．５ＭＨｚ以上）の周波数の電力の範囲では、その抵抗値が、比較例１の受電コイル部材の抵抗値よりも低かった。また、５ＭＨｚ以下（特に、４ＭＨｚ以下）の周波数の電力の範囲では、その抵抗値が過度に上昇することなく、低く値を示していた。

なお、これらの結果から以下のことが分かる。すなわち、比較例１の受電コイル部材（巻きコイル）では、銅配線の直径（ひいては、断面積）が、カバー絶縁層の厚みよりも大きく、銅線同士がカバー絶縁層を介して隣接配置されている。そのため、銅線に流れる電流同士は、反発し合うため（近接効果）、銅線断面全体に均一に分布して流れず、断面の一部に偏って流れる。その結果、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚの周波数の電流は、銅線内をスムーズに流れにくくなり、銅線の抵抗値が高くなっている。

これに対し、実施例１の受電コイル部材（シートコイル）では、第１コイルパターンおよび第２コイルパターンにおける配線は、隣接する配線と十分な間隔を隔てて配置されている。そのため、第１コイルパターンおよび第２コイルパターンである配線を流れる電流が、隣接する配線を流れる電流と反発する現象（近接効果）が抑制されている。そのため、配線断面において電流の流れる分布の偏りが抑制され、電流の流れる面積の低下が抑制されている。そのため、受電コイル部材４の抵抗値の上昇が抑制されている。

１ 無線電力伝送システム
２ 受電装置
３ 送電装置
４ 受電コイル部材
１０ ベース絶縁層
１１ 第１コイルパターン
１２ 第２コイルパターン
２２ 配線
３０ 送電コイル部材
３４ 発振回路

Claims (4)

1. １.５ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を発生させる発振回路と、前記電力が流れる送電コイル部材とを備える送電装置と、
   前記送電コイル部材から発生する磁界によって発電可能な受電コイル部材を備える受電装置と
   を備え、
   前記受電コイル部材は、絶縁層と、前記絶縁層の一方面に配置される第１コイルパターンとを備えるシートコイルであり、
   前記第１コイルパターンは、平面視渦巻状のパターン形状を有する配線からなり、
   前記配線は、前記第１コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されており、
   前記第１コイルパターンにおいて、前記配線の幅が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記間隔が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、且つ、前記間隔に対する前記幅の比率が０.７以上２.０以下であることを特徴とする、無線電力伝送システム。
2. 前記シートコイルは、前記絶縁層の他方面に配置される第２コイルパターンをさらに備え、
   前記第２コイルパターンは、平面視渦巻状のパターン形状を有する配線からなり、
   前記第２コイルパターンの前記配線は、前記第２コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されており、
   前記第２コイルパターンにおいて、前記配線の幅が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記間隔が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、且つ、前記間隔に対する前記幅の比率が０.７以上２.０以下であることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 絶縁層と、前記絶縁層の一方面に配置される第１コイルパターンとを備え、
   前記第１コイルパターンは、平面視渦巻状のパターン形状を有する配線からなり、
   前記配線は、前記第１コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されており、
   前記第１コイルパターンにおいて、前記配線の幅が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記間隔が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、且つ、前記間隔に対する前記幅の比率が０.７以上２.０以下であり、
   １.５ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数を有する電力を受電することを特徴とする、シートコイル。
4. 前記絶縁層の他方面に配置される第２コイルパターンをさらに備え、
   前記第２コイルパターンは、平面視渦巻状のパターン形状を有する配線からなり、
   前記第２コイルパターンの前記配線は、前記第２コイルパターンの径方向に沿って、互いに所定の間隔を隔てて配置されており、
   前記第２コイルパターンにおいて、前記配線の幅が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記間隔が２０μｍ以上２００μｍ以下であり、且つ、前記間隔に対する前記幅の比率が０.７以上２.０以下であることを特徴とする、請求項３に記載のシートコイル。

Images