トランス装置
【課題】 高い送電効率を保証することができると共に、磁気的な不要輻射が極めて少なく、また長時間の使用によっても過熱することがなく、さらに低コストに製作することが可能なシート状乃至薄板状のトランス装置を提供すること。
【解決手段】 扁平コイルのそれぞれは、基本となる導体パターンを複数積層してなる積層型コイルとされ、基本パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈することを特徴とする。
【解決手段】 扁平コイルのそれぞれは、基本となる導体パターンを複数積層してなる積層型コイルとされ、基本パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シート状乃至薄板状のトランス装置に係り、特に、高周波用途に適するトランス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、先に、特願２００５−３４６０３９号により、インダクタ、トランス、或いは非接触電力伝送器具等々として好適なシート状乃至薄板状のトランス装置（面状インダクタ）を提案している（特許文献１参照）。
【０００３】
この面状インダクタによれば、コイル特性の制約を受けることなく任意の面積を有するものを容易に設計することができると共に、１対の装置を対向配置して非接触送電を行うに際しては、必要な電力に面積で対応することができ、しかも分離用の切断予定線を比較的自由に設計することが可能で設計自由度が高いといった様々な利点を得ることができた。
【０００４】
しかしながら、シート状乃至薄板状のトランス装置の実現にあたっては、送電効率、磁気的な不要輻射、発熱、及び製造コストなどにおいて尚も解決できぬ問題が残されていた。
【特許文献１】ＷＯ ２００７／０６３８８４国際公報パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、本出願人が先に提案した面状インダクタ装置にあっては、シート状乃至薄板状のトランス装置の実現にあたっては、なおも、送電効率、磁気的な不要輻射、発熱、及び製造コストなどの面において、解決すべき問題が残されていた。殊に、この種のシート状乃至薄板状のトランス装置にあっては、電子機器内のフローティングトランスやマッチングトランスなどの用途に供せられることから、磁気的な不要輻射に関して極めて高い要求が科せられている。
【０００６】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、高い送電効率を保証することができると共に、磁気的な不要輻射が極めて少なく、また長時間の充電によっても過熱することがなく、さらに低コストに製作することが可能なシート状乃至薄板状のトランス装置を提供することにある。
【０００７】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照するとこにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の技術的課題は、以下の構成を有するシート状乃至薄板状のトランス装置により解決することができると考えられる。
【０００９】
すなわち、このトランス装置は、シート状乃至薄板状を有する第１のトランス装置とシート状乃至薄板状を有する第２のトランス装置とを積層してなるものである。
【００１０】
第１のトランス装置及び第２のトランス装置のそれぞれは、複数の扁平コイルと、それらの扁平コイルを平面的に整列配置した状態で担持する扁平コイル担持層と、扁平コイル担持層の一方の面側に設けられた第１の配線層と、扁平コイル担持層の他方の面側に設けられた第２の配線層とを有する。
【００１１】
各扁平コイルの巻き始め端は第１の配線層を介して共通接続され、また各扁平コイルの巻き終り端は第２の配線層を介して共通接続されており、それにより、第１の配線層と第２の配線層との間に、平面的に整列配置された複数の扁平コイルが電気的に並列接続された状態が出現するようにされる。
【００１２】
扁平コイルのそれぞれは、基本となる導体パターンを複数積層してなる積層型コイルとされ、各層の基本パターンは、互いに平行な２本の軸線の周りに、線状導体パターンが所定回数だけ渦巻状にかつ互いに逆方向へと巻回されてなる２個の渦巻状環を有する略Ｓ字状パターンとされる。
【００１３】
Ｓ字状パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈する。
【００１４】
このようなシート状乃至薄板状のトランス装置によれば、本出願人が先に特願２００５−３４６０３９において提案した基本構造を有することに加え、基本パターンである略Ｓ字状パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、また基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈するものであるから、最もその重心に磁束を集中させ易い三角形を利用することに加えて、１個の基本パターンが時計回りの巻線と反時計回りの巻線とを兼ねることから、高周波電流による電磁変換の効率が良く、相関接続用のビアについても、２つの逆巻き巻線でＳ字状パターンを形成する場合に比べ、数が半減するなどにより、製造コストを低減させることもできる。
【００１５】
この発明の好ましい実施の形態においては、菱形状のＳ字形状を呈する基本パターンは、隣接する最外周の導体辺同士が互いに平行となるようにして各層内に分散して整列配置され、かつ各層間においては対応する渦巻状環毎に軸心整合されている。
【００１６】
このような構成によれば、隣接する最外周の導体辺同士が互いに平行のまま分散配置されることから、基本パターン同士が隣接する部分において、電流ベクトルは全て同一方向へ向くこととなり、その結果、このような菱形状Ｓ字形状を呈する基本パターンを隣接して複数配置すると、例えば、基本パターンを３個並べて正六角形状を形成した場合、各基本パターンの２つの磁極と隣接するパターンの磁極とは全て等距離となり、その結果、それら等距離にある磁極同士で磁気的なプッシュブル動作が行われることから、全体として生ずる磁気的な不要輻射を極力軽減させることが確認された。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、基本パターンを構成する２個の正三角形状渦巻環のそれぞれの各頂点は、頂角の二等分線に対して直角な線に沿ってカットされ、それにより正三角形状渦巻環の各角部の内角はすべて１２０度とされている。
【００１８】
このような構成によると、一般に、高周波（例えば、３００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ）に適用した場合、線状導体の折れ曲がり角度が９０度以下であると局部的な大きな発熱が生ずるのに対し、本発明にあっては、各線状導体の折れ曲がり角度が１２０度に維持されるため、全体として線状導体の折れ曲がり角部における総発熱量を低減させ、伝送効率の向上と過熱の問題とを解決することができる。
【００１９】
以上説明した本発明のシート状乃至薄板状のトランス装置は、多層配線基板の製造技術を使用して製作することができる。このような多層配線基板の製造技術によれば、基本パターンを構成する線状導体の断面形状、同一面における隣接導体間距離、上下方向における導体間距離を精密に管理することができるため、導体間の規定容量を均一化して、回路素子のバランスを良好なものとし、初期の電磁変換能力を発揮することができる。
【００２０】
また、上述のシート状乃至薄板状のトランス装置は、半導体集積回路の製造技術を使用しても製作することができる。このような半導体集積回路の製造技術を使用すれば、基本パターンそのものを半導体基板上に微細プロセスで作り込むことができるため、基本パターン間における電子の移動距離が短くなって、より一層高周波動作が容易となるほか、そもそも本発明のトランス装置はその上下面に配線層が存在するため、半導体基板内に組み込んだ場合にも、その構造から不要輻射が他の回路に影響を与えにくく、特に、アナログとデジタルの混在する集積回路にあっては、両者に与える影響が少ないという利点がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電磁変換効率が高く、高周波特性に優れ、不要輻射が少なく、使用にあたって過熱することがなく、低コストに製作が可能なシート状乃至薄板状のトランス装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、この発明に係るシート状乃至薄板状のトランス装置の好適な実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
本発明に係るトランス装置（有芯）の構成を示す断面図が図１に示されている。このトランス装置は、多層配線基板の製造技術を使用して製作されている。
【００２４】
図から明らかなように、このトランス装置は、第１基板Ｂ１１〜第６基板Ｂ１６からなる６枚の一次側配線多層基板１０と、第１基板Ｂ２１〜第６基板Ｂ２６からなる二次側配線多層基板２０とを積層して構成されている。なお、符号Ｂ０は中間基板である。
【００２５】
上側電源配線層Ｌ１０は、図２に示されるように、磁束透過孔Ｈ１１，Ｈ１２の部分を除き、いわゆる全面一様な導体面（ベタ導体）とされている。なお、図において、Ｋ１１，Ｋ１２は磁性材料からなる筒型コアである。
【００２６】
第１基板Ｂ１１〜第６基板Ｂ１６からなる６枚の一次側配線基板は、図２に示されるように、第１層巻線基板〜第６層巻線基板として機能するものであり、それらの基板上には第１巻線パターン１Ｐ〜第６巻線パターン６Ｐが形成されている。同様にして、第１基板Ｂ２１〜第６基板Ｂ２６からなる６枚の配線基板は、図３に示されるように、第１層巻線基板〜第６層巻線基板として機能するものであり、それらの基板上には第１巻線パターン１Ｐ〜第６巻線パターン６Ｐが形成されている。
【００２７】
それらの巻線パターン１Ｐ〜６Ｐの一例が、図１中上部空白に単位パターンＰとして描かれている。図から明らかなように、この単位パターンＰは、線状導体をコイル軸線の周りに内側から外側へと反時計回りに巻回してなる第１部分Ｐ１と、同線状導体をコイル軸線の周りに外側から内側へと時計回りに巻回してなる第２部分Ｐ２とを有する。第１部分Ｐ１及び第２部分Ｐ２の巻回形状は、略正三角形状とされ、かつそれらの正三角形は底辺を共有しかつ互いに背中合わせとなるように配置され、全体として菱形形状を呈するように構成されている。
【００２８】
第１層巻線パターン１Ｐ〜第６層巻線パターン６Ｐは、奇数パターンと偶数パターンとで上下層間で流れる電流の向きが同一となるように、僅かに形状を異ならせて形成されている。
【００２９】
一次側について、上から順に接続関係を説明すると、上側電源層Ｌ１０はビアＶ１を介して第１巻線パターン１Ｐの第１部分Ｐ−１へと接続される。第１層巻線パターン１Ｐの第２部分Ｐ−２の内周端はビアＶ２を介して第２層巻線パターン２Ｐの第２部分Ｐ−２へと接続される。
【００３０】
以下同様にして、各層巻線パターンは、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とに交互に位置を変え、ビアＶ３〜Ｖ６を介してそれぞれ下層の巻線パターンへと接続される。
【００３１】
最後に、第６層巻線パターン６Ｐの第１部分Ｐ１は、ビアＶ７を介して下側電源層Ｌ１１へと接続される。これにより、上側電源層Ｌ１０と下側電源層Ｌ１１との間には、６個のＳ字状単位パターンＰが直列に接続される。
【００３２】
そして、各層の単位パターンＰは、図から明らかなように、Ｓ字状を有するため、第１部分Ｐ−１の内周端から入力された電流は、第１部分Ｐ−１の内周端から外周へと反時計回りに流れて、正三角形の底辺部分に至り、その後第２部分Ｐ−２の外周から内周へと時計回りに流れる。
【００３３】
これにより各層の単位巻線パターンＰにおいては、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で逆方向へ磁束が生ずることとなり、いわゆる磁気的なプッシュブル動作が、各巻線パターン１Ｐ〜６Ｐ毎に行われ、全体として、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とのそれぞれにおいて磁束が逆方向へと加算され、効率よく磁気エネルギの蓄えと放出とが繰り返されることとなる。
【００３４】
二次側について、下から順に接続関係を説明すると、下側電源層Ｌ２０はビアＶ１を介して第１層巻線パターン１Ｐの第１部分Ｐ−１へと接続される。第１層巻線パターン１Ｐの第２部分Ｐ−２の内周端はビアＶ２を介して第２層巻線パターン２Ｐの第２部分Ｐ−２へと接続される。
【００３５】
以下同様にして、各層巻線パターンは、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とに交互に位置を変え、ビアＶ３〜Ｖ６を介してそれぞれ上層の巻線パターンへと接続される。
【００３６】
最後に、第６層巻線パターン６Ｐの第１部分Ｐ１は、ビアＶ７を介して上側電源層Ｌ２１へと接続される。これにより、下側電源層Ｌ２０と上側電源層Ｌ２１との間には、６個のＳ字状単位パターンＰが直列に接続される。
【００３７】
そして、各層の単位パターンＰは、図から明らかなように、Ｓ字状を有するため、第１部分Ｐ−１の内周端から入力された電流は、第１部分Ｐ−１の内周端から外周へと反時計回りに流れて、正三角形の底辺部分に至り、その後第２部分Ｐ−２の外周から内周へと時計回りに流れる。
【００３８】
これにより各層の単位巻線パターンＰにおいては、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で逆方向へ磁束が生ずることとなり、いわゆる磁気的なプッシュブル動作が、各巻線パターン１Ｐ〜６Ｐ毎に行われ、全体として、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とのそれぞれにおいて磁束が逆方向へと加算され、効率よく磁気エネルギの蓄えと放出とが繰り返されることとなる。
【００３９】
本発明に係るトランス装置（有芯）における各配線基板Ｂ１１〜Ｂ１６、Ｂ２１〜Ｂ２６の平面図が図４〜図１１に示されている。すなわち、本発明に係るトランス装置（有芯）における上側電源層Ｌ１０及び下側電源層Ｌ２０の平面図が図４に示されている。なお、周囲を取り囲む正方形状は、基板の外周輪郭である。
【００４０】
同図に示されるように、基板の中央部ほぼ全体には正六角形状の素材露出領域１０３が存在し、これを取り巻くようにして導体被覆領域１０１が存在する。導体被着領域１０１から素材露出領域１０３のほぼ中央へ向けて３本のリードパターン１０２が延びており、それぞれの先端にはビアＶ１が設けられている。このビザＶ１は、上側電源層Ｌ１０と第１層巻線パターン１Ｐ、又は下側電源層Ｌ２０と第１巻線パターン１Ｐとを繋ぐものである。また、基板輪郭内の右上には、電源を最下層又は最上層の基板へ連通させるためのスルーホールＴＨが形成されている。
【００４１】
本発明に係るトランス装置（空芯）における一次側及び二次側の第１層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１１，Ｂ２１）の平面図が図５に示されている。
【００４２】
同図に示されるように、基板Ｂ１１又はＢ２１の中央部には、３個の単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣを最外周の導体同士が互いが平行となるように密に組み合わせてなる正六角形状の導体パターンが存在する。
【００４３】
それら３つの単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣのそれぞれは、第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１と第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２とを有する。
【００４４】
第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１の内周端は、ビアＶ１を介して上側電源層（ＶＤＤ）から給電される。第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２の内周端は、ビアＶ２を介して第２層巻線パターン２Ｐへと接続される。
【００４５】
図から明らかなように、単位パターンの第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１の渦巻形状は、内周側から外周側へと反時計回りに巻回する正三角形状とされており、第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２の渦巻形状は、外周から内周へ向けて時計回りに巻回する正三角形状とされている。
【００４６】
換言すれば、各単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣを構成する第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１と第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２とは、底辺を共有しかつ互いに背中合わせとなるように配置された２個の三角形状で構成され、全体として菱形形状を呈するものとなる。
【００４７】
その結果、それら３つの菱形形状を有する単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣが、最外周の辺が互いに平行となるように密に組み合わされて正六角形状が出来上がると、後に詳細に説明するように、単位パターン同士で隣接する導体辺同士は電流の向きが全て同一となると共に、第１部分及び第２部分の中心に位置するＮ極とＳ極とは、隣接極間の距離が均等となり、磁束はこの六角形の輪郭から外部へと漏洩しにくくなる。
【００４８】
その結果、このような３個の菱形形状を組み合わせてなる正六角形状の巻線パターンによれば、正三角形の各辺を流れる電流によって、対応する磁極に効率よく磁束を集中させながらも、それら生ずる磁束が正六角形を有する導体パターンの外部へとは漏れにくく、しかも各単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣを構成する２つの部分は同一形状で対称的なものとなるため、磁気バランスが最適となることから、良好な効率を得ることができる。
【００４９】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第２層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１２，Ｂ２２）の平面図が図６に示されている。同図において、２ＰＡ，２ＰＢ，２ＰＣは第１，第２，第３の単位パターン、２ＰＡ−１，２ＰＢ−１，２ＰＣ−１は、第１〜第３の単位パターンにおける第１部分、２ＰＡ−２，２ＰＢ−２，２ＰＣ−２は、第１〜第３の単位パターンにおける第２部分、ＴＨはスルーホール、１２１は素材露出領域、Ｖ２は第１層巻線パターンへ通ずるビア、Ｖ３は第３層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５０】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第３層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１３，Ｂ２３）の平面図が図７に示されている。図において、３ＰＡ，３ＰＢ，３ＰＣは第１，第２，第３の単位パターン、３ＰＡ−１，３ＰＢ−１，３ＰＣ−１は第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、３ＰＡ−２，３ＰＢ−２，３ＰＣ−２は第１，第２，第３の単位パターンの第２部分、Ｖ３は第２層巻線パターンへ通ずるビア、Ｖ４は第４層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５１】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第４層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１４，Ｂ２４）の平面図が図８に示されている。
【００５２】
図において、４ＰＡ，４ＰＢ，４ＰＣは、第１，第２，第３の単位パターン、４ＰＡ−１，４ＰＢ−１，４ＰＣ−１は、第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、４ＰＡ−２，４ＰＢ−２，４ＰＣ−２は、第１，第２，第３の単位パターンの第２部分、Ｖ４は第３層巻線パターンへ通ずるビア、Ｖ５は第５層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５３】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第５層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１５，Ｂ２５）の平面図が図９に示されている。
【００５４】
図において、ＰＡ，５ＰＢ，５ＰＣは、第１，第２，第３の単位パターン、５ＰＡ−１，５ＰＢ−１，５ＰＣ−１は、第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、５ＰＡ−２，５ＰＢ−２，５ＰＣ−２は、第１，第２，第３の単位パターンの第２部分、Ｖ５は第４層巻線パターンへと通ずるビア、Ｖ６は第６層巻線パターンへと通ずるビア、１５１は素材露出用領域である。
【００５５】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第６層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１６，Ｂ２６）の平面図が図１０に示されている。
【００５６】
図において、６ＰＡ，６ＰＢ，６ＰＣは、第１，第２，第３の単位パターン、６ＰＡ−１，６ＰＢ−１，６ＰＣ−１は、第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、６ＰＡ−２，６ＰＢ−２，６ＰＣ−２は、第１，第２，第３の単位パターンの第３部分、Ｖ６は第５層巻線パターンへと通ずるビア、Ｖ７は下側電源層へと通ずるビア、１６１は素材露出領域である。
【００５７】
本発明に係るトランス装置（空芯）における下側電源層（Ｌ１１）又は上側電源層（Ｌ２１）の平面図が図１１に示されている。
【００５８】
図において、１７１は素材露出領域、１７２は導体被着領域、１７３はＧＮＤ端子、Ｈはスルーホール、７０２はリードパターン、Ｖ７は第６層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５９】
以上説明したように、図１〜図１１に示されるトランス装置（有芯）によれば、一次側コイル装置１０と二次側コイル装置２０との間で電力変換を行うことができる。このとき、第１部分Ｐ１を構成する正三角形と第２部分Ｐ２を構成する正三角形とでは、両者の底辺を共有部分Ｍ（図１参照）とするため、図１の断面図から明らかなように、両三角形の底辺が別々に存在する場合のように、異なる方向へ流れる電流によって磁界を打ち消されることがなく、これも本実施例トランス装置の効率向上させることに寄与する。つまり、共有部分Ｍを流れる電流は、第１部分Ｐ１の中心部分における磁束を一定の方向へ加算させ、他方第２部分Ｐ−２の中央部分を貫く磁束を減少させるといったプッシュブル動作に直接的に寄与することとなる。
分Ｐ−２の中央に磁性コアを貫通させた有芯コイルとしても良いことは勿論である。
【００６０】
次に、図１２〜図１８を参照しながら、以上の実施形態のトランス装置に適用された設計ルールについて詳細に説明する。
【００６１】
高周波電流による発熱対策の説明図が図１２に示されている。同図に示されるように、単位パターンを構成する第１部分又は第２部分を構成する正三角形は、例えば３つの頂点Ｐ，Ｑ，Ｒにそれぞれ示されるように、それぞれの頂角の１／２線と直交する直線Ｘに沿ってカットされる。その結果、渦巻状に巻回された線状導体の角部の内角は、全て１２０度とされる。その結果、高周波電流が巻線パターンを流れる際の発熱が極力抑制される。
【００６２】
各斜辺の線間隔及び各角の辺の線間隔の設計値が図１３に示されている。同図に示されるように、各斜辺同士の線間隔をａとした場合、各角の辺の線間隔は２ａとされる。このような構成によれば、各層巻線パターンは上下間で整然と重ね合わせられ、しかも線状導体の折れ曲がり角度は全て１２０度に統一されるため、全体の発熱を効率よく軽減することができる。
【００６３】
基本パターンの第１部分の各分の寸法の設計値が図１４に示されている。当然のことながら、正三角形であるから、３つの辺Ａ，Ｂ，Ｃの長さは等しくｂとされ、３つの頂角をカットして生ずる線分Ｗの長さはａ、１つの角部における線分の長さＷはａ−２とされる。このような設計ルールに従うことによって、最適な導体間隔並びに発熱軽減を実現することができる。
【００６４】
単位パターン間で隣接する線状導体を流れる電流ベクトルの説明図が図１５に示されている。先に説明したように、全体として菱形形状を有する３個の単位パターンを組み合わせて正六角形状を作り出すと、隣接する単位パターン間における導体を流れる電流の向きが等しくなる。このことから、磁界はバランスよく足し合わされ、電磁変換効率は良好なものとなる。
【００６５】
３個の単位パターンを組み合わせ、全体として六角形状としたときの磁束の流れを示す説明図が図１６に示されている。同図に示されるように、図１５の電流の向きからも明らかなように、単位パターンを構成する３組の磁極（Ｎ１，Ｓ１），（Ｎ２，Ｓ２），（Ｎ３，Ｓ３）は互いに均等な距離となり、それらの単位パターンの電源端子間に並列に接続されるため、それぞれの磁極から発生する磁界は隣接する磁極へと流れ込み、六角形の輪郭から外部へとは極力漏洩が抑制される。
【００６６】
１６個の単位パターンを組み合わせて六角形状とした例の説明図が図１７に示されている。同図に示されるように、以上説明した菱形状単位パターンを３個組み合わせてなる単位六角形パターンは、それらを隣接して複数整然と組み合わせることによって、任意の大きさの面状コイルを実現することができる。従って、このような面状コイルを適当な大きさに設定することによって、携帯電話の非接触充電のみならず、マウスパッドによるコードレスマウスの充電、その他任意の携帯型電子機器に対する効率のよい充電を行うことが可能となる。
【００６７】
殊に、繰り返し説明したように、本発明に係るトランス装置は、効率が良いことに加えて、磁気的な不要輻射、機器の過熱等々が極めて少ないため、昨今普及しつつある携帯電話に組み込んでも、デジタルテレビの視聴や近距離データ通信カードの動作に悪影響を与えることがなく、そのことから、この種の非接触電力伝送に実用化に資するものである。
【００６８】
最後に、インダクタンスの周波数特性を比較して示す図が図１８に示されている。図において、符号２０１に示される曲線は、筒型コイル、２０２に示される曲線はフラットコイル、２０３に示される曲線は本発明トランスに適用されるシートコイル、２０４に示される曲線は筒型Ｓ字コイルによる周波数特性が示されている。
【００６９】
ここで、符号２０１で示される筒型コイルとは、直径１２ｍｍ、線径０．７ｍｍの導線による３６ターンコイルである。符号２０２に示されるフラットコイルとは、直径３５ｍｍ、線径０．８×０．４ｍｍのリボン線による２４ターンコイル、符号２０３に示されるシートコイルとは、本発明の提案のコイルであって、正三角形８ターンコイルをＳ字接続したＳ字コイルを直列８接続のコイルユニットを３組並列接続したフラットコイルである。符号２０４に示される筒型Ｓ字コイルとは、直径１２ｍｍ、線径０．７ｍｍの導線による１８Ｓ字ターンのコイルである。
【００７０】
グラフから明らかなように、それら他のコイルと比較して、本発明によるシートコイル２０３によれば、１２．８ＫＨｚ以上の領域において、周波数に依存しない安定なインダクタンス値が得られることが確認された。特に、昨今、非接触伝送への使用が期待されているフラットコイル２０２の比べ、本発明に係るシートコイルによれば、ほぼ２５．５ＫＨｚより高い領域において、はるかに高いインダクタンス値を得ることができることが確認された。
【００７１】
なお、符号２０３に示されるシートコイルの曲線において、約２５．６ＫＨｚのピークは、回路的な共振点を選択することによって、任意に移動させることができる。そのため、本発明のシートコイルによれば、伝送効率が高いこと、不要輻射が少ないこと、発熱しにくいこと、などなどに加えて、面積当たりの送電量が極めて大きく、また高周波域において安定かつ高いインダクタンス値を得ることができ、この種のコイルに要求される高周波特性を十分に満足することができる。
【００７２】
換言すれば、本発明のシートコイルによれば、単位体積当たりのインダクタンスが大きいということも言える。従って、将来的な展望としては、以上説明したシートコイルは、携帯電話のメイン基板そのものに組み込むこともできる。これにより、事実上携帯電話の回路基板上における実装面積を消費しないという利点もある。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明によれば、送電効率が良好で、磁気的な不要輻射が少なく、発熱が少なく、高周波域における高いインダクタンスを安定に得ることができ、低コストに製作可能なトランス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るトランス装置の構成を示す断面図である。
【図２】１次側トランス装置の構成を示す断面図である。
【図３】２次側トランス装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係るトランス装置における１次側の上側電源層（Ｌ１０）及び２次側の下側電源層（Ｌ２０）を構成する基板の平面図である。
【図５】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第１層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１１，Ｂ２１）の平面図である。
【図６】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第２層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１２，Ｂ２２）の平面図である。
【図７】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第３層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１３，Ｂ２３）の平面図である。
【図８】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第４層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１４，Ｂ２４）の平面図である。
【図９】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第５層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１５，Ｂ２５）の平面図である。
【図１０】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第６層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１６，Ｂ２６）の平面図である。
【図１１】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の下側電源層を構成する基板（Ｌ１１，Ｌ２１）の下面図である。
【図１２】高周波電流による発熱効果の説明図である。
【図１３】角斜辺の線間隔及び各角の辺の線間角の設計値である。
【図１４】基本パターンの第１部分の各部の寸法の設計値である。
【図１５】単位パターン間で隣接する線状導体を流れる電流ベクトルの説明図である。
【図１６】３個の単位パターンを組み合わせ、全体として六角形状としたときの磁束の流れを示す説明図である。
【図１７】１６個の単位パターンを組み合わせて六角形状とした例の説明図である。
【図１８】インダクタンスの周波数特性を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ １次側配線多層基板
２０ ２次側配線多層基板
１０１ 導体被着領域
１０２，１６３ リードパターン
１１１，１２１，１３１，１４１，１５１，１６１，１７１ 素材露出領域
１０４，１１２，１２２，１３２，１４２，１５２，１６２，１６４ コア貫通孔
Ｐ 単位パターン
Ｐ−１ 第１部分
Ｐ−２ 第２部分
ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ 単位パターン
ＰＡ−１，ＰＢ−１，ＰＣ−１ 単位パターンの第１部分
ＰＡ−２，ＰＢ−２，ＰＣ−２ 単位パターンの第２部分
Ｌ１０ 上側電源層
Ｌ１１ 下側電源層
Ｌ２０ 下側電源層
Ｌ２１ 上側電源層
Ｌ２２ 上側電源層
Ｂ０ 中間基板
Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６ 巻線基板
Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ２１，Ｋ２２ 筒状コア
Ｈ１１，Ｈ１２，Ｈ２１，Ｈ２２ 磁束透過孔
１Ｍ，５Ｍ，６Ｍ 共有部分
Ｖ１〜Ｖ７ ビア
ＴＨ スルーホール
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シート状乃至薄板状のトランス装置に係り、特に、高周波用途に適するトランス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、先に、特願２００５−３４６０３９号により、インダクタ、トランス、或いは非接触電力伝送器具等々として好適なシート状乃至薄板状のトランス装置（面状インダクタ）を提案している（特許文献１参照）。
【０００３】
この面状インダクタによれば、コイル特性の制約を受けることなく任意の面積を有するものを容易に設計することができると共に、１対の装置を対向配置して非接触送電を行うに際しては、必要な電力に面積で対応することができ、しかも分離用の切断予定線を比較的自由に設計することが可能で設計自由度が高いといった様々な利点を得ることができた。
【０００４】
しかしながら、シート状乃至薄板状のトランス装置の実現にあたっては、送電効率、磁気的な不要輻射、発熱、及び製造コストなどにおいて尚も解決できぬ問題が残されていた。
【特許文献１】ＷＯ ２００７／０６３８８４国際公報パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、本出願人が先に提案した面状インダクタ装置にあっては、シート状乃至薄板状のトランス装置の実現にあたっては、なおも、送電効率、磁気的な不要輻射、発熱、及び製造コストなどの面において、解決すべき問題が残されていた。殊に、この種のシート状乃至薄板状のトランス装置にあっては、電子機器内のフローティングトランスやマッチングトランスなどの用途に供せられることから、磁気的な不要輻射に関して極めて高い要求が科せられている。
【０００６】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、高い送電効率を保証することができると共に、磁気的な不要輻射が極めて少なく、また長時間の充電によっても過熱することがなく、さらに低コストに製作することが可能なシート状乃至薄板状のトランス装置を提供することにある。
【０００７】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照するとこにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の技術的課題は、以下の構成を有するシート状乃至薄板状のトランス装置により解決することができると考えられる。
【０００９】
すなわち、このトランス装置は、シート状乃至薄板状を有する第１のトランス装置とシート状乃至薄板状を有する第２のトランス装置とを積層してなるものである。
【００１０】
第１のトランス装置及び第２のトランス装置のそれぞれは、複数の扁平コイルと、それらの扁平コイルを平面的に整列配置した状態で担持する扁平コイル担持層と、扁平コイル担持層の一方の面側に設けられた第１の配線層と、扁平コイル担持層の他方の面側に設けられた第２の配線層とを有する。
【００１１】
各扁平コイルの巻き始め端は第１の配線層を介して共通接続され、また各扁平コイルの巻き終り端は第２の配線層を介して共通接続されており、それにより、第１の配線層と第２の配線層との間に、平面的に整列配置された複数の扁平コイルが電気的に並列接続された状態が出現するようにされる。
【００１２】
扁平コイルのそれぞれは、基本となる導体パターンを複数積層してなる積層型コイルとされ、各層の基本パターンは、互いに平行な２本の軸線の周りに、線状導体パターンが所定回数だけ渦巻状にかつ互いに逆方向へと巻回されてなる２個の渦巻状環を有する略Ｓ字状パターンとされる。
【００１３】
Ｓ字状パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈する。
【００１４】
このようなシート状乃至薄板状のトランス装置によれば、本出願人が先に特願２００５−３４６０３９において提案した基本構造を有することに加え、基本パターンである略Ｓ字状パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、また基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈するものであるから、最もその重心に磁束を集中させ易い三角形を利用することに加えて、１個の基本パターンが時計回りの巻線と反時計回りの巻線とを兼ねることから、高周波電流による電磁変換の効率が良く、相関接続用のビアについても、２つの逆巻き巻線でＳ字状パターンを形成する場合に比べ、数が半減するなどにより、製造コストを低減させることもできる。
【００１５】
この発明の好ましい実施の形態においては、菱形状のＳ字形状を呈する基本パターンは、隣接する最外周の導体辺同士が互いに平行となるようにして各層内に分散して整列配置され、かつ各層間においては対応する渦巻状環毎に軸心整合されている。
【００１６】
このような構成によれば、隣接する最外周の導体辺同士が互いに平行のまま分散配置されることから、基本パターン同士が隣接する部分において、電流ベクトルは全て同一方向へ向くこととなり、その結果、このような菱形状Ｓ字形状を呈する基本パターンを隣接して複数配置すると、例えば、基本パターンを３個並べて正六角形状を形成した場合、各基本パターンの２つの磁極と隣接するパターンの磁極とは全て等距離となり、その結果、それら等距離にある磁極同士で磁気的なプッシュブル動作が行われることから、全体として生ずる磁気的な不要輻射を極力軽減させることが確認された。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、基本パターンを構成する２個の正三角形状渦巻環のそれぞれの各頂点は、頂角の二等分線に対して直角な線に沿ってカットされ、それにより正三角形状渦巻環の各角部の内角はすべて１２０度とされている。
【００１８】
このような構成によると、一般に、高周波（例えば、３００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ）に適用した場合、線状導体の折れ曲がり角度が９０度以下であると局部的な大きな発熱が生ずるのに対し、本発明にあっては、各線状導体の折れ曲がり角度が１２０度に維持されるため、全体として線状導体の折れ曲がり角部における総発熱量を低減させ、伝送効率の向上と過熱の問題とを解決することができる。
【００１９】
以上説明した本発明のシート状乃至薄板状のトランス装置は、多層配線基板の製造技術を使用して製作することができる。このような多層配線基板の製造技術によれば、基本パターンを構成する線状導体の断面形状、同一面における隣接導体間距離、上下方向における導体間距離を精密に管理することができるため、導体間の規定容量を均一化して、回路素子のバランスを良好なものとし、初期の電磁変換能力を発揮することができる。
【００２０】
また、上述のシート状乃至薄板状のトランス装置は、半導体集積回路の製造技術を使用しても製作することができる。このような半導体集積回路の製造技術を使用すれば、基本パターンそのものを半導体基板上に微細プロセスで作り込むことができるため、基本パターン間における電子の移動距離が短くなって、より一層高周波動作が容易となるほか、そもそも本発明のトランス装置はその上下面に配線層が存在するため、半導体基板内に組み込んだ場合にも、その構造から不要輻射が他の回路に影響を与えにくく、特に、アナログとデジタルの混在する集積回路にあっては、両者に与える影響が少ないという利点がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電磁変換効率が高く、高周波特性に優れ、不要輻射が少なく、使用にあたって過熱することがなく、低コストに製作が可能なシート状乃至薄板状のトランス装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、この発明に係るシート状乃至薄板状のトランス装置の好適な実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
本発明に係るトランス装置（有芯）の構成を示す断面図が図１に示されている。このトランス装置は、多層配線基板の製造技術を使用して製作されている。
【００２４】
図から明らかなように、このトランス装置は、第１基板Ｂ１１〜第６基板Ｂ１６からなる６枚の一次側配線多層基板１０と、第１基板Ｂ２１〜第６基板Ｂ２６からなる二次側配線多層基板２０とを積層して構成されている。なお、符号Ｂ０は中間基板である。
【００２５】
上側電源配線層Ｌ１０は、図２に示されるように、磁束透過孔Ｈ１１，Ｈ１２の部分を除き、いわゆる全面一様な導体面（ベタ導体）とされている。なお、図において、Ｋ１１，Ｋ１２は磁性材料からなる筒型コアである。
【００２６】
第１基板Ｂ１１〜第６基板Ｂ１６からなる６枚の一次側配線基板は、図２に示されるように、第１層巻線基板〜第６層巻線基板として機能するものであり、それらの基板上には第１巻線パターン１Ｐ〜第６巻線パターン６Ｐが形成されている。同様にして、第１基板Ｂ２１〜第６基板Ｂ２６からなる６枚の配線基板は、図３に示されるように、第１層巻線基板〜第６層巻線基板として機能するものであり、それらの基板上には第１巻線パターン１Ｐ〜第６巻線パターン６Ｐが形成されている。
【００２７】
それらの巻線パターン１Ｐ〜６Ｐの一例が、図１中上部空白に単位パターンＰとして描かれている。図から明らかなように、この単位パターンＰは、線状導体をコイル軸線の周りに内側から外側へと反時計回りに巻回してなる第１部分Ｐ１と、同線状導体をコイル軸線の周りに外側から内側へと時計回りに巻回してなる第２部分Ｐ２とを有する。第１部分Ｐ１及び第２部分Ｐ２の巻回形状は、略正三角形状とされ、かつそれらの正三角形は底辺を共有しかつ互いに背中合わせとなるように配置され、全体として菱形形状を呈するように構成されている。
【００２８】
第１層巻線パターン１Ｐ〜第６層巻線パターン６Ｐは、奇数パターンと偶数パターンとで上下層間で流れる電流の向きが同一となるように、僅かに形状を異ならせて形成されている。
【００２９】
一次側について、上から順に接続関係を説明すると、上側電源層Ｌ１０はビアＶ１を介して第１巻線パターン１Ｐの第１部分Ｐ−１へと接続される。第１層巻線パターン１Ｐの第２部分Ｐ−２の内周端はビアＶ２を介して第２層巻線パターン２Ｐの第２部分Ｐ−２へと接続される。
【００３０】
以下同様にして、各層巻線パターンは、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とに交互に位置を変え、ビアＶ３〜Ｖ６を介してそれぞれ下層の巻線パターンへと接続される。
【００３１】
最後に、第６層巻線パターン６Ｐの第１部分Ｐ１は、ビアＶ７を介して下側電源層Ｌ１１へと接続される。これにより、上側電源層Ｌ１０と下側電源層Ｌ１１との間には、６個のＳ字状単位パターンＰが直列に接続される。
【００３２】
そして、各層の単位パターンＰは、図から明らかなように、Ｓ字状を有するため、第１部分Ｐ−１の内周端から入力された電流は、第１部分Ｐ−１の内周端から外周へと反時計回りに流れて、正三角形の底辺部分に至り、その後第２部分Ｐ−２の外周から内周へと時計回りに流れる。
【００３３】
これにより各層の単位巻線パターンＰにおいては、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で逆方向へ磁束が生ずることとなり、いわゆる磁気的なプッシュブル動作が、各巻線パターン１Ｐ〜６Ｐ毎に行われ、全体として、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とのそれぞれにおいて磁束が逆方向へと加算され、効率よく磁気エネルギの蓄えと放出とが繰り返されることとなる。
【００３４】
二次側について、下から順に接続関係を説明すると、下側電源層Ｌ２０はビアＶ１を介して第１層巻線パターン１Ｐの第１部分Ｐ−１へと接続される。第１層巻線パターン１Ｐの第２部分Ｐ−２の内周端はビアＶ２を介して第２層巻線パターン２Ｐの第２部分Ｐ−２へと接続される。
【００３５】
以下同様にして、各層巻線パターンは、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とに交互に位置を変え、ビアＶ３〜Ｖ６を介してそれぞれ上層の巻線パターンへと接続される。
【００３６】
最後に、第６層巻線パターン６Ｐの第１部分Ｐ１は、ビアＶ７を介して上側電源層Ｌ２１へと接続される。これにより、下側電源層Ｌ２０と上側電源層Ｌ２１との間には、６個のＳ字状単位パターンＰが直列に接続される。
【００３７】
そして、各層の単位パターンＰは、図から明らかなように、Ｓ字状を有するため、第１部分Ｐ−１の内周端から入力された電流は、第１部分Ｐ−１の内周端から外周へと反時計回りに流れて、正三角形の底辺部分に至り、その後第２部分Ｐ−２の外周から内周へと時計回りに流れる。
【００３８】
これにより各層の単位巻線パターンＰにおいては、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で逆方向へ磁束が生ずることとなり、いわゆる磁気的なプッシュブル動作が、各巻線パターン１Ｐ〜６Ｐ毎に行われ、全体として、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とのそれぞれにおいて磁束が逆方向へと加算され、効率よく磁気エネルギの蓄えと放出とが繰り返されることとなる。
【００３９】
本発明に係るトランス装置（有芯）における各配線基板Ｂ１１〜Ｂ１６、Ｂ２１〜Ｂ２６の平面図が図４〜図１１に示されている。すなわち、本発明に係るトランス装置（有芯）における上側電源層Ｌ１０及び下側電源層Ｌ２０の平面図が図４に示されている。なお、周囲を取り囲む正方形状は、基板の外周輪郭である。
【００４０】
同図に示されるように、基板の中央部ほぼ全体には正六角形状の素材露出領域１０３が存在し、これを取り巻くようにして導体被覆領域１０１が存在する。導体被着領域１０１から素材露出領域１０３のほぼ中央へ向けて３本のリードパターン１０２が延びており、それぞれの先端にはビアＶ１が設けられている。このビザＶ１は、上側電源層Ｌ１０と第１層巻線パターン１Ｐ、又は下側電源層Ｌ２０と第１巻線パターン１Ｐとを繋ぐものである。また、基板輪郭内の右上には、電源を最下層又は最上層の基板へ連通させるためのスルーホールＴＨが形成されている。
【００４１】
本発明に係るトランス装置（空芯）における一次側及び二次側の第１層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１１，Ｂ２１）の平面図が図５に示されている。
【００４２】
同図に示されるように、基板Ｂ１１又はＢ２１の中央部には、３個の単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣを最外周の導体同士が互いが平行となるように密に組み合わせてなる正六角形状の導体パターンが存在する。
【００４３】
それら３つの単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣのそれぞれは、第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１と第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２とを有する。
【００４４】
第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１の内周端は、ビアＶ１を介して上側電源層（ＶＤＤ）から給電される。第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２の内周端は、ビアＶ２を介して第２層巻線パターン２Ｐへと接続される。
【００４５】
図から明らかなように、単位パターンの第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１の渦巻形状は、内周側から外周側へと反時計回りに巻回する正三角形状とされており、第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２の渦巻形状は、外周から内周へ向けて時計回りに巻回する正三角形状とされている。
【００４６】
換言すれば、各単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣを構成する第１部分１ＰＡ−１，１ＰＢ−１，１ＰＣ−１と第２部分１ＰＡ−２，１ＰＢ−２，１ＰＣ−２とは、底辺を共有しかつ互いに背中合わせとなるように配置された２個の三角形状で構成され、全体として菱形形状を呈するものとなる。
【００４７】
その結果、それら３つの菱形形状を有する単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣが、最外周の辺が互いに平行となるように密に組み合わされて正六角形状が出来上がると、後に詳細に説明するように、単位パターン同士で隣接する導体辺同士は電流の向きが全て同一となると共に、第１部分及び第２部分の中心に位置するＮ極とＳ極とは、隣接極間の距離が均等となり、磁束はこの六角形の輪郭から外部へと漏洩しにくくなる。
【００４８】
その結果、このような３個の菱形形状を組み合わせてなる正六角形状の巻線パターンによれば、正三角形の各辺を流れる電流によって、対応する磁極に効率よく磁束を集中させながらも、それら生ずる磁束が正六角形を有する導体パターンの外部へとは漏れにくく、しかも各単位パターン１ＰＡ，１ＰＢ，１ＰＣを構成する２つの部分は同一形状で対称的なものとなるため、磁気バランスが最適となることから、良好な効率を得ることができる。
【００４９】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第２層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１２，Ｂ２２）の平面図が図６に示されている。同図において、２ＰＡ，２ＰＢ，２ＰＣは第１，第２，第３の単位パターン、２ＰＡ−１，２ＰＢ−１，２ＰＣ−１は、第１〜第３の単位パターンにおける第１部分、２ＰＡ−２，２ＰＢ−２，２ＰＣ−２は、第１〜第３の単位パターンにおける第２部分、ＴＨはスルーホール、１２１は素材露出領域、Ｖ２は第１層巻線パターンへ通ずるビア、Ｖ３は第３層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５０】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第３層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１３，Ｂ２３）の平面図が図７に示されている。図において、３ＰＡ，３ＰＢ，３ＰＣは第１，第２，第３の単位パターン、３ＰＡ−１，３ＰＢ−１，３ＰＣ−１は第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、３ＰＡ−２，３ＰＢ−２，３ＰＣ−２は第１，第２，第３の単位パターンの第２部分、Ｖ３は第２層巻線パターンへ通ずるビア、Ｖ４は第４層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５１】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第４層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１４，Ｂ２４）の平面図が図８に示されている。
【００５２】
図において、４ＰＡ，４ＰＢ，４ＰＣは、第１，第２，第３の単位パターン、４ＰＡ−１，４ＰＢ−１，４ＰＣ−１は、第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、４ＰＡ−２，４ＰＢ−２，４ＰＣ−２は、第１，第２，第３の単位パターンの第２部分、Ｖ４は第３層巻線パターンへ通ずるビア、Ｖ５は第５層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５３】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第５層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１５，Ｂ２５）の平面図が図９に示されている。
【００５４】
図において、ＰＡ，５ＰＢ，５ＰＣは、第１，第２，第３の単位パターン、５ＰＡ−１，５ＰＢ−１，５ＰＣ−１は、第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、５ＰＡ−２，５ＰＢ−２，５ＰＣ−２は、第１，第２，第３の単位パターンの第２部分、Ｖ５は第４層巻線パターンへと通ずるビア、Ｖ６は第６層巻線パターンへと通ずるビア、１５１は素材露出用領域である。
【００５５】
本発明に係るトランス装置（空芯）における第６層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１６，Ｂ２６）の平面図が図１０に示されている。
【００５６】
図において、６ＰＡ，６ＰＢ，６ＰＣは、第１，第２，第３の単位パターン、６ＰＡ−１，６ＰＢ−１，６ＰＣ−１は、第１，第２，第３の単位パターンの第１部分、６ＰＡ−２，６ＰＢ−２，６ＰＣ−２は、第１，第２，第３の単位パターンの第３部分、Ｖ６は第５層巻線パターンへと通ずるビア、Ｖ７は下側電源層へと通ずるビア、１６１は素材露出領域である。
【００５７】
本発明に係るトランス装置（空芯）における下側電源層（Ｌ１１）又は上側電源層（Ｌ２１）の平面図が図１１に示されている。
【００５８】
図において、１７１は素材露出領域、１７２は導体被着領域、１７３はＧＮＤ端子、Ｈはスルーホール、７０２はリードパターン、Ｖ７は第６層巻線パターンへ通ずるビアである。
【００５９】
以上説明したように、図１〜図１１に示されるトランス装置（有芯）によれば、一次側コイル装置１０と二次側コイル装置２０との間で電力変換を行うことができる。このとき、第１部分Ｐ１を構成する正三角形と第２部分Ｐ２を構成する正三角形とでは、両者の底辺を共有部分Ｍ（図１参照）とするため、図１の断面図から明らかなように、両三角形の底辺が別々に存在する場合のように、異なる方向へ流れる電流によって磁界を打ち消されることがなく、これも本実施例トランス装置の効率向上させることに寄与する。つまり、共有部分Ｍを流れる電流は、第１部分Ｐ１の中心部分における磁束を一定の方向へ加算させ、他方第２部分Ｐ−２の中央部分を貫く磁束を減少させるといったプッシュブル動作に直接的に寄与することとなる。
分Ｐ−２の中央に磁性コアを貫通させた有芯コイルとしても良いことは勿論である。
【００６０】
次に、図１２〜図１８を参照しながら、以上の実施形態のトランス装置に適用された設計ルールについて詳細に説明する。
【００６１】
高周波電流による発熱対策の説明図が図１２に示されている。同図に示されるように、単位パターンを構成する第１部分又は第２部分を構成する正三角形は、例えば３つの頂点Ｐ，Ｑ，Ｒにそれぞれ示されるように、それぞれの頂角の１／２線と直交する直線Ｘに沿ってカットされる。その結果、渦巻状に巻回された線状導体の角部の内角は、全て１２０度とされる。その結果、高周波電流が巻線パターンを流れる際の発熱が極力抑制される。
【００６２】
各斜辺の線間隔及び各角の辺の線間隔の設計値が図１３に示されている。同図に示されるように、各斜辺同士の線間隔をａとした場合、各角の辺の線間隔は２ａとされる。このような構成によれば、各層巻線パターンは上下間で整然と重ね合わせられ、しかも線状導体の折れ曲がり角度は全て１２０度に統一されるため、全体の発熱を効率よく軽減することができる。
【００６３】
基本パターンの第１部分の各分の寸法の設計値が図１４に示されている。当然のことながら、正三角形であるから、３つの辺Ａ，Ｂ，Ｃの長さは等しくｂとされ、３つの頂角をカットして生ずる線分Ｗの長さはａ、１つの角部における線分の長さＷはａ−２とされる。このような設計ルールに従うことによって、最適な導体間隔並びに発熱軽減を実現することができる。
【００６４】
単位パターン間で隣接する線状導体を流れる電流ベクトルの説明図が図１５に示されている。先に説明したように、全体として菱形形状を有する３個の単位パターンを組み合わせて正六角形状を作り出すと、隣接する単位パターン間における導体を流れる電流の向きが等しくなる。このことから、磁界はバランスよく足し合わされ、電磁変換効率は良好なものとなる。
【００６５】
３個の単位パターンを組み合わせ、全体として六角形状としたときの磁束の流れを示す説明図が図１６に示されている。同図に示されるように、図１５の電流の向きからも明らかなように、単位パターンを構成する３組の磁極（Ｎ１，Ｓ１），（Ｎ２，Ｓ２），（Ｎ３，Ｓ３）は互いに均等な距離となり、それらの単位パターンの電源端子間に並列に接続されるため、それぞれの磁極から発生する磁界は隣接する磁極へと流れ込み、六角形の輪郭から外部へとは極力漏洩が抑制される。
【００６６】
１６個の単位パターンを組み合わせて六角形状とした例の説明図が図１７に示されている。同図に示されるように、以上説明した菱形状単位パターンを３個組み合わせてなる単位六角形パターンは、それらを隣接して複数整然と組み合わせることによって、任意の大きさの面状コイルを実現することができる。従って、このような面状コイルを適当な大きさに設定することによって、携帯電話の非接触充電のみならず、マウスパッドによるコードレスマウスの充電、その他任意の携帯型電子機器に対する効率のよい充電を行うことが可能となる。
【００６７】
殊に、繰り返し説明したように、本発明に係るトランス装置は、効率が良いことに加えて、磁気的な不要輻射、機器の過熱等々が極めて少ないため、昨今普及しつつある携帯電話に組み込んでも、デジタルテレビの視聴や近距離データ通信カードの動作に悪影響を与えることがなく、そのことから、この種の非接触電力伝送に実用化に資するものである。
【００６８】
最後に、インダクタンスの周波数特性を比較して示す図が図１８に示されている。図において、符号２０１に示される曲線は、筒型コイル、２０２に示される曲線はフラットコイル、２０３に示される曲線は本発明トランスに適用されるシートコイル、２０４に示される曲線は筒型Ｓ字コイルによる周波数特性が示されている。
【００６９】
ここで、符号２０１で示される筒型コイルとは、直径１２ｍｍ、線径０．７ｍｍの導線による３６ターンコイルである。符号２０２に示されるフラットコイルとは、直径３５ｍｍ、線径０．８×０．４ｍｍのリボン線による２４ターンコイル、符号２０３に示されるシートコイルとは、本発明の提案のコイルであって、正三角形８ターンコイルをＳ字接続したＳ字コイルを直列８接続のコイルユニットを３組並列接続したフラットコイルである。符号２０４に示される筒型Ｓ字コイルとは、直径１２ｍｍ、線径０．７ｍｍの導線による１８Ｓ字ターンのコイルである。
【００７０】
グラフから明らかなように、それら他のコイルと比較して、本発明によるシートコイル２０３によれば、１２．８ＫＨｚ以上の領域において、周波数に依存しない安定なインダクタンス値が得られることが確認された。特に、昨今、非接触伝送への使用が期待されているフラットコイル２０２の比べ、本発明に係るシートコイルによれば、ほぼ２５．５ＫＨｚより高い領域において、はるかに高いインダクタンス値を得ることができることが確認された。
【００７１】
なお、符号２０３に示されるシートコイルの曲線において、約２５．６ＫＨｚのピークは、回路的な共振点を選択することによって、任意に移動させることができる。そのため、本発明のシートコイルによれば、伝送効率が高いこと、不要輻射が少ないこと、発熱しにくいこと、などなどに加えて、面積当たりの送電量が極めて大きく、また高周波域において安定かつ高いインダクタンス値を得ることができ、この種のコイルに要求される高周波特性を十分に満足することができる。
【００７２】
換言すれば、本発明のシートコイルによれば、単位体積当たりのインダクタンスが大きいということも言える。従って、将来的な展望としては、以上説明したシートコイルは、携帯電話のメイン基板そのものに組み込むこともできる。これにより、事実上携帯電話の回路基板上における実装面積を消費しないという利点もある。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明によれば、送電効率が良好で、磁気的な不要輻射が少なく、発熱が少なく、高周波域における高いインダクタンスを安定に得ることができ、低コストに製作可能なトランス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るトランス装置の構成を示す断面図である。
【図２】１次側トランス装置の構成を示す断面図である。
【図３】２次側トランス装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係るトランス装置における１次側の上側電源層（Ｌ１０）及び２次側の下側電源層（Ｌ２０）を構成する基板の平面図である。
【図５】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第１層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１１，Ｂ２１）の平面図である。
【図６】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第２層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１２，Ｂ２２）の平面図である。
【図７】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第３層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１３，Ｂ２３）の平面図である。
【図８】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第４層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１４，Ｂ２４）の平面図である。
【図９】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第５層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１５，Ｂ２５）の平面図である。
【図１０】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の第６層巻線パターンを構成する基板（Ｂ１６，Ｂ２６）の平面図である。
【図１１】本発明に係るトランス装置における１次側及び２次側の下側電源層を構成する基板（Ｌ１１，Ｌ２１）の下面図である。
【図１２】高周波電流による発熱効果の説明図である。
【図１３】角斜辺の線間隔及び各角の辺の線間角の設計値である。
【図１４】基本パターンの第１部分の各部の寸法の設計値である。
【図１５】単位パターン間で隣接する線状導体を流れる電流ベクトルの説明図である。
【図１６】３個の単位パターンを組み合わせ、全体として六角形状としたときの磁束の流れを示す説明図である。
【図１７】１６個の単位パターンを組み合わせて六角形状とした例の説明図である。
【図１８】インダクタンスの周波数特性を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ １次側配線多層基板
２０ ２次側配線多層基板
１０１ 導体被着領域
１０２，１６３ リードパターン
１１１，１２１，１３１，１４１，１５１，１６１，１７１ 素材露出領域
１０４，１１２，１２２，１３２，１４２，１５２，１６２，１６４ コア貫通孔
Ｐ 単位パターン
Ｐ−１ 第１部分
Ｐ−２ 第２部分
ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ 単位パターン
ＰＡ−１，ＰＢ−１，ＰＣ−１ 単位パターンの第１部分
ＰＡ−２，ＰＢ−２，ＰＣ−２ 単位パターンの第２部分
Ｌ１０ 上側電源層
Ｌ１１ 下側電源層
Ｌ２０ 下側電源層
Ｌ２１ 上側電源層
Ｌ２２ 上側電源層
Ｂ０ 中間基板
Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６ 巻線基板
Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ２１，Ｋ２２ 筒状コア
Ｈ１１，Ｈ１２，Ｈ２１，Ｈ２２ 磁束透過孔
１Ｍ，５Ｍ，６Ｍ 共有部分
Ｖ１〜Ｖ７ ビア
ＴＨ スルーホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状乃至薄板状を有する第１のトランス装置とシート状乃至薄板状を有する第２のトランス装置とを積層してなるシート状乃至薄板状のトランス装置であって、
第１のトランス装置及び第２のトランス装置のそれぞれは、
複数の扁平コイルと、
それらの扁平コイルを平面的に整列配置した状態で担持する扁平コイル担持層と、
扁平コイル担持層の一方の面側に設けられた第１の配線層と、扁平コイル担持層の他方の面側に設けられた第２の配線層とを有し、かつ
各扁平コイルの巻き始め端は第１の配線層を介して共通接続され、また各扁平コイルの巻き終わり端は第２の配線層を介して共通接続されており、
それにより、第１の配線層と第２の配線層との間に、平面的に整列配置された複数の扁平コイルが電気的に並列接続された状態が出現するようにしたシート状乃至薄板状のものとされ、
扁平コイルのそれぞれは、
基本となる導体パターンを複数積層してなる積層型コイルとされ、
各層の基本パターンは、互いに平行な２本の軸線の周りに、線状導体パターンが所定回数だけ渦巻状にかつ互いに逆方向へと巻回されてなる２個の渦巻状環を有する略Ｓ字状パターンとされ、
Ｓ字状パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈することを特徴とするトランス装置。
【請求項２】
菱形状のＳ字形状を呈する基本パターンは、隣接する最外周の導体辺同士が互いに平行となるようにして各層内に分散して整列配置され、かつ各層間においては対応する渦巻状環毎に軸心整合されることを特徴とする請求項１に記載のトランス装置。
【請求項３】
基本パターンを構成する２個の正三角形状渦巻環のそれぞれの各頂点は、頂角の二等分線に対して直角な線に沿ってカットされ、それにより正三角形状渦巻環の各角部の内角は１２０度とされていることを特徴とする請求項２に記載のトランス装置。
【請求項４】
多層配線基板の製造技術を使用して製作される、ことを特徴とする請求項１に記載のトランス装置。
【請求項５】
半導体集積回路の製造技術を使用して製作される、ことを特徴とする請求項１に記載のトランス装置。
【請求項１】
シート状乃至薄板状を有する第１のトランス装置とシート状乃至薄板状を有する第２のトランス装置とを積層してなるシート状乃至薄板状のトランス装置であって、
第１のトランス装置及び第２のトランス装置のそれぞれは、
複数の扁平コイルと、
それらの扁平コイルを平面的に整列配置した状態で担持する扁平コイル担持層と、
扁平コイル担持層の一方の面側に設けられた第１の配線層と、扁平コイル担持層の他方の面側に設けられた第２の配線層とを有し、かつ
各扁平コイルの巻き始め端は第１の配線層を介して共通接続され、また各扁平コイルの巻き終わり端は第２の配線層を介して共通接続されており、
それにより、第１の配線層と第２の配線層との間に、平面的に整列配置された複数の扁平コイルが電気的に並列接続された状態が出現するようにしたシート状乃至薄板状のものとされ、
扁平コイルのそれぞれは、
基本となる導体パターンを複数積層してなる積層型コイルとされ、
各層の基本パターンは、互いに平行な２本の軸線の周りに、線状導体パターンが所定回数だけ渦巻状にかつ互いに逆方向へと巻回されてなる２個の渦巻状環を有する略Ｓ字状パターンとされ、
Ｓ字状パターンを構成する２個の渦巻状環のそれぞれは正三角形状とされ、最外周三角形の底辺を共有するようにして背中合わせに配置され、基本パターンの全体は菱形状のＳ字形状を呈することを特徴とするトランス装置。
【請求項２】
菱形状のＳ字形状を呈する基本パターンは、隣接する最外周の導体辺同士が互いに平行となるようにして各層内に分散して整列配置され、かつ各層間においては対応する渦巻状環毎に軸心整合されることを特徴とする請求項１に記載のトランス装置。
【請求項３】
基本パターンを構成する２個の正三角形状渦巻環のそれぞれの各頂点は、頂角の二等分線に対して直角な線に沿ってカットされ、それにより正三角形状渦巻環の各角部の内角は１２０度とされていることを特徴とする請求項２に記載のトランス装置。
【請求項４】
多層配線基板の製造技術を使用して製作される、ことを特徴とする請求項１に記載のトランス装置。
【請求項５】
半導体集積回路の製造技術を使用して製作される、ことを特徴とする請求項１に記載のトランス装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００８−１４１２０３（Ｐ２００８−１４１２０３Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０９５５０（Ｐ２００７−３０９５５０）
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（３０７０１８６２３）ユー・ディ・テック株式会社 (6)
【出願人】（５０７３９３４１４）リンコム マニュファクチャリング カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（３０７０１８６２３）ユー・ディ・テック株式会社 (6)
【出願人】（５０７３９３４１４）リンコム マニュファクチャリング カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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