JP2004515056A - システム、プリント回路基板、充電器、ユーザ装置および器具 - Google Patents
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Abstract
層状の変圧器(1)を含むプリント回路基板(10)は、第1の磁気層(2)、第1の変圧器コイル(4)、絶縁体(7)、第2の変圧器コイル(5)、および第2の磁気層(3)からなる積層を持ち、各変圧器コイル(4,5)を、2次元パターンの導体トラックとして実現する。絶縁体は、磁性物質を含む1つまたは複数の経路(8,18,28)を含むことができる。1つのプリント回路基板(10)の代わりに、変圧器(1)を、同様に、それぞれが磁気層(2)および変圧器コイル(4)を含む、2つのプリント回路基板(60)として実現することもできる。前記プリント回路基板は充電器(71)およびユーザ装置(72)に含ませることもできる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第1および第2の変圧器巻線(transformer winding)および第1の磁気層を持つ変圧器を含み、この第1の磁気層が多層プリント回路基板に貼り合わせ、即ち積層され、このプリント回路基板は、第1および第2の対向する外面が設けられ、その外面上には導体トラックのパターンを持つようなシステムに関する。
また本発明は、第1および第2の対向する外面が設けられ、その第1の外面上に導体トラックのパターンがあり、第1の変圧器巻線および第1の磁気層を含むようなプリント回路基板に関する。
さらに本発明は、本システムを使用するのに適する充電器、ユーザ装置、および器具に関する。
【0002】
このようなシステムやプリント回路基板はデズアリ(Dezuari)他による「センサーおよびアクチエータA, 76(Sensors and Actuators A, 76)」(1999,pp.349−355)で知られている。この既知のプリント回路基板は、磁性材料としてのCoFeMoのアロイを含む磁気層を含む。このアロイは、液体エポキシやアクリル酸の接着剤によって、エポキシ樹脂の基板上に設けられる。磁気層は、方形或いはトロイダルの磁気コアを形成するためにパターン化される。アロイが設けられた基板とプリント回路基板の外面との間には、その外面に導体トラックが設けられているエポキシ樹脂板がある。第1の外面および第2の外面にある導体トラックは、ビア(via;穴)によって電気伝導で相互接続されている。変圧器巻線(winding)の巻(turn)は、第1の外面上の導体トラック、第2の外面上の導体トラック、およびこれらの導体トラックの間の2つのビアによって形成される。従って、この巻は、第1の磁気層の面に実質的に垂直な平面に置かれている。磁気層が方形を持つようにパターン化されている場合は、巻および第1および第2の変圧器巻線は相互に平行である。よって、変圧器巻線は、層として構成されている磁気コアの周り、或いは、磁気コアの一部の周りに巻かれている3次元パターンを形成する。
【0003】
この既知のシステムの欠点は、このような変圧器は、自己インダクタンスが1から10マイクロヘンリー以下であり、30kHzに至るまでしか利用できないということである。従って、この既知のプリント回路基板は、スイッチモード電源の電圧の変換には適さない。
【0004】
本発明の第1の目的は、冒頭のパラグラフで述べたようなシステム、即ち、スイッチモード電源の電圧を変換するのに適したシステムを提供することである。本発明の第2の目的は、冒頭のパラグラフで述べたようなプリント回路基板、即ち、本発明によるシステムに適するプリント回路基板を提供することである。
本発明のさらなる諸目的は、本発明によるシステムに適するユーザ装置、充電器および器具を提供することである。
【0005】
第1の目的は下記のような構成の変圧器で達成される。
本変圧器は、第1の部分、第2の部分、および絶縁層を含み、この絶縁層は前記第1の部分と前記第2の部分との間に置かれ、
前記第1の部分は、第1の変圧器巻線および第1の磁気層を含み、この第1の変圧器巻線は導体トラックの2次元パターンとして構成され、および、電子回路基板内の前記第1の磁気層と前記絶縁層との間に貼り合わせ、即ち積層され、そして、前記第1の外面にある導体トラックのパターンに電気的に接続され、
前記第2の部分は、第2の変圧器巻線および第2の磁気層を含み、この第2の変圧器巻線は前記第2の磁気層と前記絶縁層との間に置かれる。
【0006】
本発明によるシステムの変圧器は、既知のシステムとは構造上異なる。従って、第2の磁気層は、本発明による前記システムの第1の部分の近くに存在する。さらに、第1および第2の変圧器巻線は、前記磁気層と実質的に平行な平面に置かれている。加えて、第1および第2の変圧器巻線は前記第1と第2の磁気層との間に存在する。
【0007】
本発明によるシステムの変圧器は十分に強力な磁場を生成する能力を持つことが分かった。本発明によるシステムの変圧器の自己インダクタンスは1から10ミリヘンリーであり、即ち、既知のシステムのものよりも1000倍良いファクターである。さらに、本発明によるシステムの変圧器は、数100kHzの周波数まで使用することが可能である。0.95或いはそれ以上の結合率(coupling)が、数平方センチメーターの横方向の寸法、および10〜40のオーダーのQ値(Q−factor)で実現される。従って、本発明によるシステムはスイッチモード電源の電圧変換に非常に適している。
【0008】
本発明によるシステムは、第1および第2の部分が積層されているプリント回路基板を含むことができる。しかしながら、本システム内の変圧器は、第1および第2の部分がある距離で互いに離間され、実質的に平行である場合には非常に有利に機能する。従って、前記第1の部分は充電器と一体化することができ、前記第2の部分はユーザ装置と一体化することができる。このユーザ装置は本発明によるシステムで非接触式の充電器によって充電することができる。
【0009】
このような非接触式充電用のシステムは特に電動歯ブラシで使用されている。この既知のシステムは、バッテリとコイル即ち巻線と存在する電動歯ブラシに加えてさらにコイルを具えた充電器を含む。充電器にはユーザ装置を設置可能なリングが設けられている。非接触式充電操作は、エアーコイル原理(air coil principle)によって起こる。即ち、ユーザ装置を充電器のリングに設置したとき、コイルは同心となりエネルギーの伝達がエアー即ち空間を通って発生する。既知のシステムの欠点は、ユーザ装置をリングに置いていないときでもエネルギー損失が発生することである。このことは経済的かつ環境的な理由で望ましくない。本発明によるシステムではこの欠点を回避される。非接触充電用の既知のシステムは38%以下の結合率(coupling)しか達成しないが、本発明によるシステムは95%以上の結合率を実現する能力を持つ。ユーザ装置が充電器上に存在しないときは、第1の変圧器巻線による電力損失は小さいものである。変圧器巻線の巻(turn)の表面積は実際には比較的小さく、巻は望ましくは細く(thin)する。さらに、変圧器巻線の構造および相互に実質的に平行である磁気層は、既知のシステムの変圧器よりも効率が良い変圧器をもたらす。
【0010】
プリント回路基板、積み重ねた磁気層、および導体トラックの2次元パターンとして構成した変圧器巻線が一体化されているような本発明によるシステムでは、プリント回路基板を充電器とユーザ装置の両方に存在させる必要がない。好適な実施態様では、ユーザ装置内の磁気層はプリント回路基板上に置かれた構成要素として構成され、変圧器巻線はプリント回路基板の外面に存在する。充電器はユーザ装置よりも大きな表面積にすることができ、幾つかのユーザ装置は、全く同じ充電器にて非接触式で同時に同じように充電することが可能である。さらに、充電器は、例えば、浴室キャビネットの棚やフルーツ用ボールなどの物に一体化することもできる。充電器は多くの消費者により整理しにくい商品であると考えられている。充電器をフルーツ用ボールなどの物と一体化することは、充電器を目立たなくさせると同時に充電器を容易に利用可能なものにならしめる。
【0011】
本発明によるユーザ装置の実施例は、特に電動歯ブラシ、電気シェーバー、携帯電話、ポータブルコンピュータ、ポータブル台所用器具、電気サーモメータ、腕時計、および電子アラーム時計である。
【0012】
変圧器が電源回路の一部を形成する場合は、少なくとも2つのトポロジ、即ちフライバック(flyback)トポロジおよび共振(resonant)トポロジが回路構成用に知られている。本変圧器はフライバックトポロジジの回路および共振トポロジの回路、当業者には共振スイッチモード電源としても知られるが、これら両者で使用できるということが実験で分かった。望ましくは、本充電器は、例えばハーフブリッジなどの共振トポロジとして設計された回路の一部を構成させる。当業者は精通していることであるが、放出する自己誘導のために消費される電力をキャパシタで利用して共振の正弦波電流曲線を生成するという理由から、少しの電流しか損失しない。従って、本発明によるシステムの変圧器は、約50Wを越えるような高い電力で使用することができる。
【0013】
本発明の第2の目的は、下記のような構成で達成される。
即ち、第1の磁気層、導体トラックの2次元パターンとして構成される第1の変圧器巻線、および、絶縁層が、第1および第2の外面の間に積層され、前記第1の巻線は、前記第1の外面にある導体トラックのパターンに電気伝導で接続されている。この目的は請求項1または2に記載のシステムで使用するのに適したプリント回路基板としても達成される。「プリント回路基板」という用語は、低温同時焼成セラミック(LTCC)基板などのその他のいかなるタイプの多層基板をも含むものと理解すべきである。
【0014】
導体トラックの2次元パターンとして構成されている第2の変圧器巻線と第2の磁気層とが、絶縁層と第2の外面との間にあり、前記第2の変圧器巻線と第2の磁気層とが、絶縁層、第1の変圧器巻線、および第1の磁気層に一緒に積層されることが好適である。
【0015】
この実施態様の変圧器は完全に層状の構造である。その結果、これは簡単な方法で製造できる。複数の構成要素を具えるプリント回路基板を上回る、本発明によるプリント回路基板の利点は、本発明のものは非常に薄いということである。厚さを最小限にするためには、その他の構成要素もプリント回路基板に一体化する、即ち、磁気層と外面との間に入れることが好適である。変圧器巻線の2次元パターンは螺旋状の形状にすることが好適である。
【0016】
第1の磁気層は磁性物質を含む。この材料は、特に、フェライト、鉄、鉄アロイ(合金)、或いは、その他の磁性合金とすることができ、そして、特に層或いは分散させたパウダーとの形状をとることができる。合金の例としては、NiFe、CoFe、MnFe、およびCoFeMoがある。
【0017】
好適な実施態様では、第1の磁気層は有機物質の母材(matrix)および磁性物質のフィラーから成る複合材料(composite)を含む。複合材料の比透磁率が20以下にもかかわらず、変圧器の特性は良好であることが分かった。さらに、絶縁層が主要な分離した層用のヨーロッパ標準に適合し、および磁性材料の相互接続が絶縁層に存在しない場合は、変圧器は十分に機能することが分かった。
【0018】
この複合材料は幾つかの利点を持つ。即ち、この複合材料は別々のプロセスで製造でき、かつ、原価が安いことある。この複合材料は、本発明によるプリント回路基板のその他の層に非常に密接に積層することができる。さらに、この複合材料の層は、導体トラックのパターン用の基板として機能することもできる。母材用の好適な物質としては、エポキシドやポリエステルがあるが、さらに同様にプリント回路基板用に使用されるその他の物質も使用できる。原則としては、当業者に知られている磁性材料は、この複合材料のフィラー即ち充填材として好適である。変圧器を約5MHzまでの低い周波数で使用する場合は、フェライトをフィラーとして使用することが好適である。さらに望ましくは、フィラーは容量で50%を越える密度で使用する。特に望ましいのは、第1の磁気層のみならず第2の磁気層もが、有機物質のフィラーと母材との複合物質を含む場合である。
【0019】
代替の実施態様では、導電性物質からなるスクリーニング層と電気絶縁性物質からなる中間層とが、第1の磁気層と導体トラックのパターンとの間にある第1の外面に存在する。導電性物質からなるスクリーニング層は、前記外面にある導体トラック、および、前記外面上に置かれた、或いはプリント回路基板に一体化された構成要素を変圧器の磁界から遮蔽する。幾つかの物質、例えば、銅、アルミニウム、銀、金属充填エポキシ樹脂(metal−filled epoxy resin)、および導電性のオリゴマー或いはポリマーなどを導電性物質として選択することができる。好適なオリゴマー或いはポリマーの例としては、特に、任意選択の環状C1−C10−アルキル基、或いはアルコキシ置換基で置換され得るようなドープしたポリアニリンがある。望ましくは、導電性物質は少なくとも100S/cmの導電率を持つものにする。
【0020】
特に望ましい態様は、導電性物質からなるスクリーニング層と電気絶縁性物質からなる中間層とが、第2の磁気層とプリント回路基板の第2の外面との間に存在する場合である。従って、導体トラックおよび構成要素は、磁界に伴う干渉なしで、プリント回路基板内に一体化される、或いは、第2の外面上に存在することができる。
【0021】
望ましくは、本発明によるプリント回路基板内の絶縁層は非常に薄くする。第1および第2の変圧器巻線の周りのみの絶縁層を通る寄生磁束(parasitic magnetic flux)による変圧器損失は、可能な限り限定される。或いは、絶縁層は、少なくとも0.4mmの厚さを持たせ、かつ、磁気層を越えて少なくとも2.5mm突き出させることができる。このことは、第1および第2の回路の間にある電源分離層(mains separation layers)という点でヨーロッパの要件に準拠する。これらの要件は、少なくとも5mmの固体表面(solid surface)の上の沿面距離(creepage path)と少なくとも5mmの空間距離(air path)を必要とすることを規定する。これらの要件は、変圧器の嵩(dimension)が無い、或いは、感知し得るほどしか嵩が増加していないプリント回路基板の本実施態様によって満たされる。或いは、さらなる電気絶縁性層を前記絶縁層に加えて設けることができ、例えば全部で3つの層となる。絶縁層の合計の厚さは、2つの層が共に4240Vdcの試験電圧に準拠するという条件で、例えば、0.15mmまでに限定することができる。
【0022】
幾つかの絶縁層を使用することの利点は、そこに導体トラックを設けるのに非常に適しているということである。導体トラックのパターンが絶縁層のいずれかの面の上に設けられる場合は、それぞれに、一面のみの上に導体トラックのパターンが設けられている2つのプリント回路基板は貼り合わせ、即ち積層することができる。また、プリント回路基板が取り外し可能なとき、即ち2つの部分に分離可能な場合には、幾つかの絶縁層を使用することが好適である。
【0023】
代替の実施態様では、絶縁層には経路(或いは貫通穴)が設けられ、この経路は有機物質からなる母材と磁性物質からなるフィラーとを含む複合材料で充填されている。このような充填された経路の存在は、電源(mains)から分離されていない変圧器をもたらす。寄生磁束による損失は、これによってさらに減少される。さらに、この経路は、5mm未満の空間距離を生じさせることなく、磁性材料で充填され得る。この目的のために絶縁層に穴が設けられ、この絶縁層は、例えば硬化したエポキシ樹脂を含む。それから、まだ硬化していない複合材料の層を設ける。続いて、プリント回路基板が加圧下で積層されるとき、前記穴は複合材料が流れ込むことによって充填される。
【0024】
電圧が単一の変圧器で十分に変換される場合、或いは、反対に高電圧に変換する場合は、1次回路の巻数は、2次回路の巻数に比べて大きくする必要がある。従って、さらなる実施態様では、導体トラックの2次元パターンの形状を持つ第3の変圧器巻線が第1の変圧器巻線と絶縁層との間に存在し、この第3の変圧器巻線は第1の変圧器巻線に電気的に接続される。第1および第3の変圧器巻線が相互接続され、かつ、平行に置かれるため、1次回路の巻数が2倍になる。自明であるが、巻数をさらに増加するために、第4および第5の変圧器巻線を設けて第1の変圧器巻線と相互接続させることもできる。電気伝導接続を作ること、或いは、プリント回路基板の層を通るビア(via)は、プリント回路基板の当業者には知られていることである。
【0025】
厚みが薄いおかげで、本発明によるプリント回路基板は多くの家庭用装置や電気装置で有利に使用することができる。さらに、その厚みが非常に薄いという理由から、ディスプレイ、例えば、液晶ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、および、電圧を高い方に変換するようなその他のディスプレイで使用するのに非常に好適である。
【0026】
本発明によるシステム、プリント回路基板、充電器、およびユーザ装置について、図面および実施態様を参照しつつより詳細に説明する。また、これらの図面や実施態様は本発明を何ら限定するものと理解すべきではない。
諸図面は、略図であり実際の縮尺でなく、同じ参照番号は対応する構成要素に関連する。当業者には自明のことであるが、本発明の実施態様に相当するものを除いた代替の態様が本発明の本質から離れることなく実施可能であり、請求の範囲のみによって本発明の範囲は制限される。当業者には明らかであるが、説明を明瞭にするため、図示した変圧器巻線の巻数を2、3および4以下に制限したに過ぎない。
【0027】
図1は、プリント回路基板10の第1の実施態様を示す図であり、プリント回路基板10には第1の外面11と、それに対向する第2の外面12とが設けられている。導体トラックのパターン21、22は、本実施態様の第1の外面11、および第2の外面に存在する。プリント回路基板10は、さらに、第1の磁気層2、第1の変圧器巻線4、第3の変圧器巻線6、絶縁層7、第2の変圧器巻線5、および第2の磁気層3からなる積層を含む。この積層は、変圧器1を構成する。即ち、第1の磁気層2および第1および第3の変圧器巻線4、6が共に第1の部分69を形成する。第2の変圧器巻線4および第2の磁気層3は、共に第2の部分79を形成する。第3の変圧器巻線6は、電気絶縁層23と絶縁層7との間に存在する。前記電気絶縁層23は、FR−4などの既知の材料からなるプリント回路基板とすることが好適である。第3の変圧器巻線6は、実際には第1の変圧器巻線4を拡張したものであり、そこへ電気絶縁層23を通るビア31により接続されている。第1の変圧器巻線4は、ビア33によって導体トラック21のパターンと第3の変圧器巻線6とに接続されている。変圧器巻線4、5、6は、それぞれ、電気絶縁スリーブが設けられた幾つかの銅巻を持つ。変圧器1が電圧を下げるためのものである場合には、第1および第3の変圧器巻線4、6は、共に1次変圧器巻線を形成し、第2の変圧器巻線5が2次変圧器巻線を形成する。
【0028】
本実施態様の第1および第2の磁気層2、3は、有機物質の母材と磁性材料のフィラーとからなる複合材料を含む。有機物質はエポキシ樹脂であり、磁性材料はフェライトの粉体である。フェライトの密度は体積で50%であり、複合材料の比透磁率は20である。この層の厚さは800〜1200ミクロンにすることが好適である。結果として変圧器1は1〜10mHの自己インダクタンスを持つ。本実施態様の絶縁層7は、厚さ0.4mmのエポキシ積層板やエポキシプレプレグなどの電気絶縁物質からなる実質的に閉じた層から構成される。絶縁層7は、第1および第2の磁気層2、3を越えて2.5mm突き出している。従って、これは、電源分離用層に関するヨーロッパの取得要件に準拠し、その結果、第1の変圧器巻線を直接、電源に接続することが可能になる。
【0029】
第1の実施態様では、プリント回路基板10は、第1の外面と第1の磁気層2との間に、FR−4積層板などの電気絶縁物質からなる中間層25および銅からなるスクリーニング層24を含む。中間層25は、同時に、通常の方法でパターン化された導体トラック21のパターンのため支持体(carrier)である。中間層25は、また、スクリーニング24の支持体とすることもできる。しかしながら、望ましくは、スクリーニング層24は第1の磁気層2の上に設ける。硬化させた穴即ちビア32、33は中間層25の中に設け、第1の変圧器巻線4およびスクリーン層24が構成要素、電源、および接地と接続することを確実にする。当業者は、第1の変圧器巻線4へのビア33に加えて、ビアが第3の変圧器巻線6と導体トラックのパターン21との間に存在するということを理解するであろう。ビア34、35を設けたスクリーニング層24および中間層25は、第2の外面と第2の磁気層3との間に設けられる。
【0030】
図2は、プリント回路基板10の第2の実施態様を示す。絶縁層7および中間層23は、有機物質の母材と磁性物質のフィラーとからなる複合材料で充填された経路8を含む。磁性物質はフェライトであり、有機物質はエポキシ材料である。経路8は、通常の方法で穴を絶縁層7および中間層23に作ることで製造される。その後、前記複合材料をそこに供給するが、このときエポキシはまだ液体状態である。続いて、絶縁層7、第1の磁気層2、スクリーニング層24、中間層23、25、および、導体トラックのパターン4、6、21が圧力をかけつつ積層されるとき、液状エポキシは経路8に流れ込み充填し始める。経路8の液状エポキシと絶縁層7の液状エポキシとの間に強力な接着があるため、前記経路の端部に沿った空間を通る沿面距離は存在しない。従って、経路を持つ変圧器10は、欧州当局による安全要件に準拠する。
【0031】
図3は、プリント回路基板10の第2の実施態様の個々の層の平面図である。この平面図は第1の変圧器巻線4の層を示す。第1の変圧器巻線4と第1の外面11との間に位置する全ての層は省略した。図3は、経路8と同様に、中間層23および絶縁層7に存在する2つの経路18、28が在ることを示している。図3は、さらに、第1の変圧器巻線4と同様に、この第1の変圧器巻縁4の端部に在るビア33、31をも示す。これら3つの経路の存在は、第1および第2の磁気層2、3、および経路8、18、28を含むような変圧器10のコア部を形成する。経路8、18、28を通る磁束の抵抗は絶縁層7および中間層23のその他の部分におけるものよりも小さいという理由から、第1および第3の変圧器巻線4、6の周りの寄生磁束、および、第1の磁気層2、絶縁層7或いは中間層23を通る寄生磁束は限定される。
【0032】
図4は、プリント回路基板10の第3の実施態様を示す。この実施態様では、第1および第2の磁気層2、3は、非晶質で市販されている磁性物質のCoFeMoを含む。この物質の利点は、これは100ミクロン未満の薄膜として使用できることである。この磁性物質を保護するために、電気絶縁層41、42の間に第1の磁気層2を置き、そして、電気絶縁層43、25の間に第2の磁気層3を置く。本実施態様における絶縁層7は、欧州安全要件には準拠しない。これは、その他の変圧器のタイプやその他の国では厳密には必要とされないものでである。望ましくは、約200ミクロンの厚さのプリント回路基板を絶縁層として使用する。この第3の実施態様では、第2の磁気層3と第2の外面12との間にスクリーニング層24は存在しない。
【0033】
図5は、システムを断面図で示す。このシステムは、充電器71およびユーザ装置72を含むが、この図はこれら充電器71とユーザ装置72の幾つかの細部のみを示す。本システムは、さらに、充電器71内にある第1の部分69を持つ変圧器1、および、ユーザ装置72内にある第2の部分79を含む。
【0034】
第1の外面11と第2の外面62とを持つプリント回路基板60は充電器71に存在する。プリント回路基板60は、絶縁層67、第1の変圧器巻線4、中間層23、さらなる変圧器巻線6、磁気層2、スクリーニング層24、中間層25、および、幾つかのビア31、32、33を含む。第1の変圧器巻線4およびさらなる変圧器巻線6は、導体トラックの2次元のパターンとして構成される。幾つかの構成要素81、82、83、84、85は、プリント回路基板の外面11に固定される。
【0035】
第1の外面11および第2の外面62を持つプリント回路基板60は、例えば携帯電話器などのようなユーザ装置72のなかに存在する。プリント回路基板60は、絶縁層67、変圧器巻線4、磁気層2、スクリーニング層24、中間層25、および、幾つかのビア32、33を含む。変圧器巻線4は、導体トラックの2次元のパターンとして構成される。幾つかの構成要素81、82、83、84、85は、プリント回路基板60の第1の外面11に固定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】プリント回路基板10の第1の実施態様を示す図である。
【図2】プリント回路基板10の第2の実施態様を示す図である。
【図3】プリント回路基板10の第2の実施態様の個々の層の平面図である。
【図4】プリント回路基板10の第3の実施態様を示す図である。
【図5】システムを断面図で示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、第1および第2の変圧器巻線(transformer winding)および第1の磁気層を持つ変圧器を含み、この第1の磁気層が多層プリント回路基板に貼り合わせ、即ち積層され、このプリント回路基板は、第1および第2の対向する外面が設けられ、その外面上には導体トラックのパターンを持つようなシステムに関する。
また本発明は、第1および第2の対向する外面が設けられ、その第1の外面上に導体トラックのパターンがあり、第1の変圧器巻線および第1の磁気層を含むようなプリント回路基板に関する。
さらに本発明は、本システムを使用するのに適する充電器、ユーザ装置、および器具に関する。
【0002】
このようなシステムやプリント回路基板はデズアリ(Dezuari)他による「センサーおよびアクチエータA, 76(Sensors and Actuators A, 76)」(1999,pp.349−355)で知られている。この既知のプリント回路基板は、磁性材料としてのCoFeMoのアロイを含む磁気層を含む。このアロイは、液体エポキシやアクリル酸の接着剤によって、エポキシ樹脂の基板上に設けられる。磁気層は、方形或いはトロイダルの磁気コアを形成するためにパターン化される。アロイが設けられた基板とプリント回路基板の外面との間には、その外面に導体トラックが設けられているエポキシ樹脂板がある。第1の外面および第2の外面にある導体トラックは、ビア(via;穴)によって電気伝導で相互接続されている。変圧器巻線(winding)の巻(turn)は、第1の外面上の導体トラック、第2の外面上の導体トラック、およびこれらの導体トラックの間の2つのビアによって形成される。従って、この巻は、第1の磁気層の面に実質的に垂直な平面に置かれている。磁気層が方形を持つようにパターン化されている場合は、巻および第1および第2の変圧器巻線は相互に平行である。よって、変圧器巻線は、層として構成されている磁気コアの周り、或いは、磁気コアの一部の周りに巻かれている3次元パターンを形成する。
【0003】
この既知のシステムの欠点は、このような変圧器は、自己インダクタンスが1から10マイクロヘンリー以下であり、30kHzに至るまでしか利用できないということである。従って、この既知のプリント回路基板は、スイッチモード電源の電圧の変換には適さない。
【0004】
本発明の第1の目的は、冒頭のパラグラフで述べたようなシステム、即ち、スイッチモード電源の電圧を変換するのに適したシステムを提供することである。本発明の第2の目的は、冒頭のパラグラフで述べたようなプリント回路基板、即ち、本発明によるシステムに適するプリント回路基板を提供することである。
本発明のさらなる諸目的は、本発明によるシステムに適するユーザ装置、充電器および器具を提供することである。
【0005】
第1の目的は下記のような構成の変圧器で達成される。
本変圧器は、第1の部分、第2の部分、および絶縁層を含み、この絶縁層は前記第1の部分と前記第2の部分との間に置かれ、
前記第1の部分は、第1の変圧器巻線および第1の磁気層を含み、この第1の変圧器巻線は導体トラックの2次元パターンとして構成され、および、電子回路基板内の前記第1の磁気層と前記絶縁層との間に貼り合わせ、即ち積層され、そして、前記第1の外面にある導体トラックのパターンに電気的に接続され、
前記第2の部分は、第2の変圧器巻線および第2の磁気層を含み、この第2の変圧器巻線は前記第2の磁気層と前記絶縁層との間に置かれる。
【0006】
本発明によるシステムの変圧器は、既知のシステムとは構造上異なる。従って、第2の磁気層は、本発明による前記システムの第1の部分の近くに存在する。さらに、第1および第2の変圧器巻線は、前記磁気層と実質的に平行な平面に置かれている。加えて、第1および第2の変圧器巻線は前記第1と第2の磁気層との間に存在する。
【0007】
本発明によるシステムの変圧器は十分に強力な磁場を生成する能力を持つことが分かった。本発明によるシステムの変圧器の自己インダクタンスは1から10ミリヘンリーであり、即ち、既知のシステムのものよりも1000倍良いファクターである。さらに、本発明によるシステムの変圧器は、数100kHzの周波数まで使用することが可能である。0.95或いはそれ以上の結合率(coupling)が、数平方センチメーターの横方向の寸法、および10〜40のオーダーのQ値(Q−factor)で実現される。従って、本発明によるシステムはスイッチモード電源の電圧変換に非常に適している。
【0008】
本発明によるシステムは、第1および第2の部分が積層されているプリント回路基板を含むことができる。しかしながら、本システム内の変圧器は、第1および第2の部分がある距離で互いに離間され、実質的に平行である場合には非常に有利に機能する。従って、前記第1の部分は充電器と一体化することができ、前記第2の部分はユーザ装置と一体化することができる。このユーザ装置は本発明によるシステムで非接触式の充電器によって充電することができる。
【0009】
このような非接触式充電用のシステムは特に電動歯ブラシで使用されている。この既知のシステムは、バッテリとコイル即ち巻線と存在する電動歯ブラシに加えてさらにコイルを具えた充電器を含む。充電器にはユーザ装置を設置可能なリングが設けられている。非接触式充電操作は、エアーコイル原理(air coil principle)によって起こる。即ち、ユーザ装置を充電器のリングに設置したとき、コイルは同心となりエネルギーの伝達がエアー即ち空間を通って発生する。既知のシステムの欠点は、ユーザ装置をリングに置いていないときでもエネルギー損失が発生することである。このことは経済的かつ環境的な理由で望ましくない。本発明によるシステムではこの欠点を回避される。非接触充電用の既知のシステムは38%以下の結合率(coupling)しか達成しないが、本発明によるシステムは95%以上の結合率を実現する能力を持つ。ユーザ装置が充電器上に存在しないときは、第1の変圧器巻線による電力損失は小さいものである。変圧器巻線の巻(turn)の表面積は実際には比較的小さく、巻は望ましくは細く(thin)する。さらに、変圧器巻線の構造および相互に実質的に平行である磁気層は、既知のシステムの変圧器よりも効率が良い変圧器をもたらす。
【0010】
プリント回路基板、積み重ねた磁気層、および導体トラックの2次元パターンとして構成した変圧器巻線が一体化されているような本発明によるシステムでは、プリント回路基板を充電器とユーザ装置の両方に存在させる必要がない。好適な実施態様では、ユーザ装置内の磁気層はプリント回路基板上に置かれた構成要素として構成され、変圧器巻線はプリント回路基板の外面に存在する。充電器はユーザ装置よりも大きな表面積にすることができ、幾つかのユーザ装置は、全く同じ充電器にて非接触式で同時に同じように充電することが可能である。さらに、充電器は、例えば、浴室キャビネットの棚やフルーツ用ボールなどの物に一体化することもできる。充電器は多くの消費者により整理しにくい商品であると考えられている。充電器をフルーツ用ボールなどの物と一体化することは、充電器を目立たなくさせると同時に充電器を容易に利用可能なものにならしめる。
【0011】
本発明によるユーザ装置の実施例は、特に電動歯ブラシ、電気シェーバー、携帯電話、ポータブルコンピュータ、ポータブル台所用器具、電気サーモメータ、腕時計、および電子アラーム時計である。
【0012】
変圧器が電源回路の一部を形成する場合は、少なくとも2つのトポロジ、即ちフライバック(flyback)トポロジおよび共振(resonant)トポロジが回路構成用に知られている。本変圧器はフライバックトポロジジの回路および共振トポロジの回路、当業者には共振スイッチモード電源としても知られるが、これら両者で使用できるということが実験で分かった。望ましくは、本充電器は、例えばハーフブリッジなどの共振トポロジとして設計された回路の一部を構成させる。当業者は精通していることであるが、放出する自己誘導のために消費される電力をキャパシタで利用して共振の正弦波電流曲線を生成するという理由から、少しの電流しか損失しない。従って、本発明によるシステムの変圧器は、約50Wを越えるような高い電力で使用することができる。
【0013】
本発明の第2の目的は、下記のような構成で達成される。
即ち、第1の磁気層、導体トラックの2次元パターンとして構成される第1の変圧器巻線、および、絶縁層が、第1および第2の外面の間に積層され、前記第1の巻線は、前記第1の外面にある導体トラックのパターンに電気伝導で接続されている。この目的は請求項1または2に記載のシステムで使用するのに適したプリント回路基板としても達成される。「プリント回路基板」という用語は、低温同時焼成セラミック(LTCC)基板などのその他のいかなるタイプの多層基板をも含むものと理解すべきである。
【0014】
導体トラックの2次元パターンとして構成されている第2の変圧器巻線と第2の磁気層とが、絶縁層と第2の外面との間にあり、前記第2の変圧器巻線と第2の磁気層とが、絶縁層、第1の変圧器巻線、および第1の磁気層に一緒に積層されることが好適である。
【0015】
この実施態様の変圧器は完全に層状の構造である。その結果、これは簡単な方法で製造できる。複数の構成要素を具えるプリント回路基板を上回る、本発明によるプリント回路基板の利点は、本発明のものは非常に薄いということである。厚さを最小限にするためには、その他の構成要素もプリント回路基板に一体化する、即ち、磁気層と外面との間に入れることが好適である。変圧器巻線の2次元パターンは螺旋状の形状にすることが好適である。
【0016】
第1の磁気層は磁性物質を含む。この材料は、特に、フェライト、鉄、鉄アロイ(合金)、或いは、その他の磁性合金とすることができ、そして、特に層或いは分散させたパウダーとの形状をとることができる。合金の例としては、NiFe、CoFe、MnFe、およびCoFeMoがある。
【0017】
好適な実施態様では、第1の磁気層は有機物質の母材(matrix)および磁性物質のフィラーから成る複合材料(composite)を含む。複合材料の比透磁率が20以下にもかかわらず、変圧器の特性は良好であることが分かった。さらに、絶縁層が主要な分離した層用のヨーロッパ標準に適合し、および磁性材料の相互接続が絶縁層に存在しない場合は、変圧器は十分に機能することが分かった。
【0018】
この複合材料は幾つかの利点を持つ。即ち、この複合材料は別々のプロセスで製造でき、かつ、原価が安いことある。この複合材料は、本発明によるプリント回路基板のその他の層に非常に密接に積層することができる。さらに、この複合材料の層は、導体トラックのパターン用の基板として機能することもできる。母材用の好適な物質としては、エポキシドやポリエステルがあるが、さらに同様にプリント回路基板用に使用されるその他の物質も使用できる。原則としては、当業者に知られている磁性材料は、この複合材料のフィラー即ち充填材として好適である。変圧器を約5MHzまでの低い周波数で使用する場合は、フェライトをフィラーとして使用することが好適である。さらに望ましくは、フィラーは容量で50%を越える密度で使用する。特に望ましいのは、第1の磁気層のみならず第2の磁気層もが、有機物質のフィラーと母材との複合物質を含む場合である。
【0019】
代替の実施態様では、導電性物質からなるスクリーニング層と電気絶縁性物質からなる中間層とが、第1の磁気層と導体トラックのパターンとの間にある第1の外面に存在する。導電性物質からなるスクリーニング層は、前記外面にある導体トラック、および、前記外面上に置かれた、或いはプリント回路基板に一体化された構成要素を変圧器の磁界から遮蔽する。幾つかの物質、例えば、銅、アルミニウム、銀、金属充填エポキシ樹脂(metal−filled epoxy resin)、および導電性のオリゴマー或いはポリマーなどを導電性物質として選択することができる。好適なオリゴマー或いはポリマーの例としては、特に、任意選択の環状C1−C10−アルキル基、或いはアルコキシ置換基で置換され得るようなドープしたポリアニリンがある。望ましくは、導電性物質は少なくとも100S/cmの導電率を持つものにする。
【0020】
特に望ましい態様は、導電性物質からなるスクリーニング層と電気絶縁性物質からなる中間層とが、第2の磁気層とプリント回路基板の第2の外面との間に存在する場合である。従って、導体トラックおよび構成要素は、磁界に伴う干渉なしで、プリント回路基板内に一体化される、或いは、第2の外面上に存在することができる。
【0021】
望ましくは、本発明によるプリント回路基板内の絶縁層は非常に薄くする。第1および第2の変圧器巻線の周りのみの絶縁層を通る寄生磁束(parasitic magnetic flux)による変圧器損失は、可能な限り限定される。或いは、絶縁層は、少なくとも0.4mmの厚さを持たせ、かつ、磁気層を越えて少なくとも2.5mm突き出させることができる。このことは、第1および第2の回路の間にある電源分離層(mains separation layers)という点でヨーロッパの要件に準拠する。これらの要件は、少なくとも5mmの固体表面(solid surface)の上の沿面距離(creepage path)と少なくとも5mmの空間距離(air path)を必要とすることを規定する。これらの要件は、変圧器の嵩(dimension)が無い、或いは、感知し得るほどしか嵩が増加していないプリント回路基板の本実施態様によって満たされる。或いは、さらなる電気絶縁性層を前記絶縁層に加えて設けることができ、例えば全部で3つの層となる。絶縁層の合計の厚さは、2つの層が共に4240Vdcの試験電圧に準拠するという条件で、例えば、0.15mmまでに限定することができる。
【0022】
幾つかの絶縁層を使用することの利点は、そこに導体トラックを設けるのに非常に適しているということである。導体トラックのパターンが絶縁層のいずれかの面の上に設けられる場合は、それぞれに、一面のみの上に導体トラックのパターンが設けられている2つのプリント回路基板は貼り合わせ、即ち積層することができる。また、プリント回路基板が取り外し可能なとき、即ち2つの部分に分離可能な場合には、幾つかの絶縁層を使用することが好適である。
【0023】
代替の実施態様では、絶縁層には経路(或いは貫通穴)が設けられ、この経路は有機物質からなる母材と磁性物質からなるフィラーとを含む複合材料で充填されている。このような充填された経路の存在は、電源(mains)から分離されていない変圧器をもたらす。寄生磁束による損失は、これによってさらに減少される。さらに、この経路は、5mm未満の空間距離を生じさせることなく、磁性材料で充填され得る。この目的のために絶縁層に穴が設けられ、この絶縁層は、例えば硬化したエポキシ樹脂を含む。それから、まだ硬化していない複合材料の層を設ける。続いて、プリント回路基板が加圧下で積層されるとき、前記穴は複合材料が流れ込むことによって充填される。
【0024】
電圧が単一の変圧器で十分に変換される場合、或いは、反対に高電圧に変換する場合は、1次回路の巻数は、2次回路の巻数に比べて大きくする必要がある。従って、さらなる実施態様では、導体トラックの2次元パターンの形状を持つ第3の変圧器巻線が第1の変圧器巻線と絶縁層との間に存在し、この第3の変圧器巻線は第1の変圧器巻線に電気的に接続される。第1および第3の変圧器巻線が相互接続され、かつ、平行に置かれるため、1次回路の巻数が2倍になる。自明であるが、巻数をさらに増加するために、第4および第5の変圧器巻線を設けて第1の変圧器巻線と相互接続させることもできる。電気伝導接続を作ること、或いは、プリント回路基板の層を通るビア(via)は、プリント回路基板の当業者には知られていることである。
【0025】
厚みが薄いおかげで、本発明によるプリント回路基板は多くの家庭用装置や電気装置で有利に使用することができる。さらに、その厚みが非常に薄いという理由から、ディスプレイ、例えば、液晶ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、および、電圧を高い方に変換するようなその他のディスプレイで使用するのに非常に好適である。
【0026】
本発明によるシステム、プリント回路基板、充電器、およびユーザ装置について、図面および実施態様を参照しつつより詳細に説明する。また、これらの図面や実施態様は本発明を何ら限定するものと理解すべきではない。
諸図面は、略図であり実際の縮尺でなく、同じ参照番号は対応する構成要素に関連する。当業者には自明のことであるが、本発明の実施態様に相当するものを除いた代替の態様が本発明の本質から離れることなく実施可能であり、請求の範囲のみによって本発明の範囲は制限される。当業者には明らかであるが、説明を明瞭にするため、図示した変圧器巻線の巻数を2、3および4以下に制限したに過ぎない。
【0027】
図1は、プリント回路基板10の第1の実施態様を示す図であり、プリント回路基板10には第1の外面11と、それに対向する第2の外面12とが設けられている。導体トラックのパターン21、22は、本実施態様の第1の外面11、および第2の外面に存在する。プリント回路基板10は、さらに、第1の磁気層2、第1の変圧器巻線4、第3の変圧器巻線6、絶縁層7、第2の変圧器巻線5、および第2の磁気層3からなる積層を含む。この積層は、変圧器1を構成する。即ち、第1の磁気層2および第1および第3の変圧器巻線4、6が共に第1の部分69を形成する。第2の変圧器巻線4および第2の磁気層3は、共に第2の部分79を形成する。第3の変圧器巻線6は、電気絶縁層23と絶縁層7との間に存在する。前記電気絶縁層23は、FR−4などの既知の材料からなるプリント回路基板とすることが好適である。第3の変圧器巻線6は、実際には第1の変圧器巻線4を拡張したものであり、そこへ電気絶縁層23を通るビア31により接続されている。第1の変圧器巻線4は、ビア33によって導体トラック21のパターンと第3の変圧器巻線6とに接続されている。変圧器巻線4、5、6は、それぞれ、電気絶縁スリーブが設けられた幾つかの銅巻を持つ。変圧器1が電圧を下げるためのものである場合には、第1および第3の変圧器巻線4、6は、共に1次変圧器巻線を形成し、第2の変圧器巻線5が2次変圧器巻線を形成する。
【0028】
本実施態様の第1および第2の磁気層2、3は、有機物質の母材と磁性材料のフィラーとからなる複合材料を含む。有機物質はエポキシ樹脂であり、磁性材料はフェライトの粉体である。フェライトの密度は体積で50%であり、複合材料の比透磁率は20である。この層の厚さは800〜1200ミクロンにすることが好適である。結果として変圧器1は1〜10mHの自己インダクタンスを持つ。本実施態様の絶縁層7は、厚さ0.4mmのエポキシ積層板やエポキシプレプレグなどの電気絶縁物質からなる実質的に閉じた層から構成される。絶縁層7は、第1および第2の磁気層2、3を越えて2.5mm突き出している。従って、これは、電源分離用層に関するヨーロッパの取得要件に準拠し、その結果、第1の変圧器巻線を直接、電源に接続することが可能になる。
【0029】
第1の実施態様では、プリント回路基板10は、第1の外面と第1の磁気層2との間に、FR−4積層板などの電気絶縁物質からなる中間層25および銅からなるスクリーニング層24を含む。中間層25は、同時に、通常の方法でパターン化された導体トラック21のパターンのため支持体(carrier)である。中間層25は、また、スクリーニング24の支持体とすることもできる。しかしながら、望ましくは、スクリーニング層24は第1の磁気層2の上に設ける。硬化させた穴即ちビア32、33は中間層25の中に設け、第1の変圧器巻線4およびスクリーン層24が構成要素、電源、および接地と接続することを確実にする。当業者は、第1の変圧器巻線4へのビア33に加えて、ビアが第3の変圧器巻線6と導体トラックのパターン21との間に存在するということを理解するであろう。ビア34、35を設けたスクリーニング層24および中間層25は、第2の外面と第2の磁気層3との間に設けられる。
【0030】
図2は、プリント回路基板10の第2の実施態様を示す。絶縁層7および中間層23は、有機物質の母材と磁性物質のフィラーとからなる複合材料で充填された経路8を含む。磁性物質はフェライトであり、有機物質はエポキシ材料である。経路8は、通常の方法で穴を絶縁層7および中間層23に作ることで製造される。その後、前記複合材料をそこに供給するが、このときエポキシはまだ液体状態である。続いて、絶縁層7、第1の磁気層2、スクリーニング層24、中間層23、25、および、導体トラックのパターン4、6、21が圧力をかけつつ積層されるとき、液状エポキシは経路8に流れ込み充填し始める。経路8の液状エポキシと絶縁層7の液状エポキシとの間に強力な接着があるため、前記経路の端部に沿った空間を通る沿面距離は存在しない。従って、経路を持つ変圧器10は、欧州当局による安全要件に準拠する。
【0031】
図3は、プリント回路基板10の第2の実施態様の個々の層の平面図である。この平面図は第1の変圧器巻線4の層を示す。第1の変圧器巻線4と第1の外面11との間に位置する全ての層は省略した。図3は、経路8と同様に、中間層23および絶縁層7に存在する2つの経路18、28が在ることを示している。図3は、さらに、第1の変圧器巻線4と同様に、この第1の変圧器巻縁4の端部に在るビア33、31をも示す。これら3つの経路の存在は、第1および第2の磁気層2、3、および経路8、18、28を含むような変圧器10のコア部を形成する。経路8、18、28を通る磁束の抵抗は絶縁層7および中間層23のその他の部分におけるものよりも小さいという理由から、第1および第3の変圧器巻線4、6の周りの寄生磁束、および、第1の磁気層2、絶縁層7或いは中間層23を通る寄生磁束は限定される。
【0032】
図4は、プリント回路基板10の第3の実施態様を示す。この実施態様では、第1および第2の磁気層2、3は、非晶質で市販されている磁性物質のCoFeMoを含む。この物質の利点は、これは100ミクロン未満の薄膜として使用できることである。この磁性物質を保護するために、電気絶縁層41、42の間に第1の磁気層2を置き、そして、電気絶縁層43、25の間に第2の磁気層3を置く。本実施態様における絶縁層7は、欧州安全要件には準拠しない。これは、その他の変圧器のタイプやその他の国では厳密には必要とされないものでである。望ましくは、約200ミクロンの厚さのプリント回路基板を絶縁層として使用する。この第3の実施態様では、第2の磁気層3と第2の外面12との間にスクリーニング層24は存在しない。
【0033】
図5は、システムを断面図で示す。このシステムは、充電器71およびユーザ装置72を含むが、この図はこれら充電器71とユーザ装置72の幾つかの細部のみを示す。本システムは、さらに、充電器71内にある第1の部分69を持つ変圧器1、および、ユーザ装置72内にある第2の部分79を含む。
【0034】
第1の外面11と第2の外面62とを持つプリント回路基板60は充電器71に存在する。プリント回路基板60は、絶縁層67、第1の変圧器巻線4、中間層23、さらなる変圧器巻線6、磁気層2、スクリーニング層24、中間層25、および、幾つかのビア31、32、33を含む。第1の変圧器巻線4およびさらなる変圧器巻線6は、導体トラックの2次元のパターンとして構成される。幾つかの構成要素81、82、83、84、85は、プリント回路基板の外面11に固定される。
【0035】
第1の外面11および第2の外面62を持つプリント回路基板60は、例えば携帯電話器などのようなユーザ装置72のなかに存在する。プリント回路基板60は、絶縁層67、変圧器巻線4、磁気層2、スクリーニング層24、中間層25、および、幾つかのビア32、33を含む。変圧器巻線4は、導体トラックの2次元のパターンとして構成される。幾つかの構成要素81、82、83、84、85は、プリント回路基板60の第1の外面11に固定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】プリント回路基板10の第1の実施態様を示す図である。
【図2】プリント回路基板10の第2の実施態様を示す図である。
【図3】プリント回路基板10の第2の実施態様の個々の層の平面図である。
【図4】プリント回路基板10の第3の実施態様を示す図である。
【図5】システムを断面図で示す図である。
Claims (14)
- 第1および第2の変圧器巻線および第1の磁気層を持つ変圧器を含むシステムであって、前記第1の磁気層は多層プリント回路基板に積層されており、前記多層プリント回路基板は、第1および第2の対向する外面が設けられており、この第1の外面上に導体トラックのパターンがある前記システムにおいて、
前記変圧器は第1の部分、第2の部分、および絶縁層を含み、この絶縁層は前記第1および前記第2の部分の間に置かれ、
前記第1の部分は、前記第1の変圧器巻線および前記第1の磁気層を含み、この第1の変圧器巻線は、導体トラックの2次元パターンとして構成され、前記プリント回路基板内で前記第1の磁気層と前記絶縁層との間に積層され、および、前記第1の外面にある前記導体トラックのパターンと電気的に接続され、
前記第2の部分は、前記第2の変圧器巻線と第2の磁気層とを含み、前記第2の変圧器巻線は、前記第2の磁気層と前記絶縁層との間に置かれている、
ことを特徴とするシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記第2の部分は前記プント回路基板の一部を形成し、前記変圧器は完全な層構造で作られている、
ことを特徴とするシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記第1の部分は充電器の一部を形成し、前記第2の部分はユーザ装置の一部を形成する、
ことを特徴とするシステム。 - 請求項1または2に記載のシステムにおいて、
前記変圧器は、共振トポロジとして設計されている回路の一部を形成する、
ことを特徴とするシステム。 - 第1および第2の対向する外面が設けられていて、前記第1の第1の外面上に導体トラックのパターンがあり、第1の変圧器巻線と第1の磁気層とを含むプリント回路基板であって、
前記第1の磁気層、導体トラックの2次元パターンとして構成されている前記第1の変圧器巻線、および絶縁層は、
前記第1および前記第2の外面の間に積層され、
前記第1の変圧器巻線は、前記第1の外面にある前記導体トラックのパターンと電気的に接続され、
前記プリント回路基板は、請求項1または2に記載のシステムで使用するのに適している、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項5に記載のプリント回路基板において、
導体トラックの2次元パターンとして構成されている第2の変圧器巻線と第2の磁気層とは、
前記絶縁層と前記第2の外面との間に存在し、
前記第2の変圧器巻線と前記第2の磁気層とは、
前記絶縁層、前記第1の変圧器巻線、および前記第1の磁気層で積層されている、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項5または6に記載のプリント回路基板において、
少なくとも前記第1の磁気層は、有機物質の母材および磁性物質のフィラーとを含む複合材料である、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項5または6に記載のプリント回路基板において、
導電性物質のスクリーニング層および導電性物質の中間層は、前記第1の磁気層と前記導体トラックのパターンとの間の前記第1の外面に存在する、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項6に記載のプリント回路基板において、
前記絶縁層は少なくとも0.4mmの厚さを持ち、前記磁気層を越えて少なくとも2.5mm突き出している、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項6に記載のプリント回路基板において、
前記絶縁層は経路が設けられ、前記経路は有機物質の母材と磁性物質のフィラーとを含む複合材料で満たされている、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項5に記載のプリント回路基板において、
導体トラックの2次元パターンの形態の第3の変圧器巻線は、前記第1の巻線と前記絶縁層との間に存在し、この第3の変圧器巻線は前記第1の変圧器巻線と電気的に接続されている、
ことを特徴とするプリント回路基板。 - 請求項1に記載のシステムで使用するのに適し、請求項5に記載のプリント回路基板が設けられた充電器。
- 請求項1に記載のシステムで使用するのに適し、請求項5に記載のプリント回路基板が設けられたユーザ装置。
- 請求項2に記載のシステムで使用するのに適し、請求項6に記載のプリント回路基板が設けられた器具。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008504054A (ja) * | 2004-06-28 | 2008-02-14 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Rf場で使用する送信線 |
JP2008166407A (ja) * | 2006-12-27 | 2008-07-17 | Tdk Corp | 電子素子及び電子素子の製造方法 |
JP2017034283A (ja) * | 2012-02-20 | 2017-02-09 | ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド | 電力伝送用途のための大電流かつ低等価直列抵抗のプリント回路基板コイル |
Families Citing this family (40)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4048019B2 (ja) * | 2000-08-31 | 2008-02-13 | 富士通株式会社 | 多層配線基板及びその製造方法 |
JP4214700B2 (ja) * | 2002-01-22 | 2009-01-28 | 株式会社村田製作所 | コモンモードチョークコイルアレイ |
JP2003282323A (ja) * | 2002-03-20 | 2003-10-03 | Tdk Corp | マイクロデバイス |
US7375608B2 (en) * | 2003-09-29 | 2008-05-20 | Tamura Corporation | Solid electrolytic capacitor and manufacturing method thereof |
JPWO2005032226A1 (ja) * | 2003-09-29 | 2006-12-14 | 株式会社タムラ製作所 | 多層積層回路基板 |
JP4610226B2 (ja) * | 2004-04-28 | 2011-01-12 | Tdk株式会社 | コイル部品 |
US8385043B2 (en) * | 2006-08-28 | 2013-02-26 | Avago Technologies ECBU IP (Singapoare) Pte. Ltd. | Galvanic isolator |
US7791900B2 (en) | 2006-08-28 | 2010-09-07 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Galvanic isolator |
US20080278275A1 (en) * | 2007-05-10 | 2008-11-13 | Fouquet Julie E | Miniature Transformers Adapted for use in Galvanic Isolators and the Like |
US9019057B2 (en) * | 2006-08-28 | 2015-04-28 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Galvanic isolators and coil transducers |
US7948067B2 (en) * | 2009-06-30 | 2011-05-24 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Coil transducer isolator packages |
US8427844B2 (en) * | 2006-08-28 | 2013-04-23 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Widebody coil isolators |
US8093983B2 (en) * | 2006-08-28 | 2012-01-10 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Narrowbody coil isolator |
US8061017B2 (en) | 2006-08-28 | 2011-11-22 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Methods of making coil transducers |
US9105391B2 (en) * | 2006-08-28 | 2015-08-11 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | High voltage hold-off coil transducer |
EP1916677A1 (en) * | 2006-10-25 | 2008-04-30 | Laird Technologies AB | Transformer and method of making a transformer |
JP4960710B2 (ja) * | 2007-01-09 | 2012-06-27 | ソニーモバイルコミュニケーションズ株式会社 | 無接点電力伝送コイル、携帯端末及び端末充電装置、平面コイルの磁性体層形成装置及び磁性体層形成方法 |
US8258911B2 (en) | 2008-03-31 | 2012-09-04 | Avago Technologies ECBU IP (Singapor) Pte. Ltd. | Compact power transformer components, devices, systems and methods |
TWM357691U (en) * | 2008-11-07 | 2009-05-21 | Delta Electronics Inc | Transformer |
JP5551480B2 (ja) * | 2010-03-24 | 2014-07-16 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
US9113569B2 (en) | 2011-03-25 | 2015-08-18 | Ibiden Co., Ltd. | Wiring board and method for manufacturing same |
CN102315699B (zh) * | 2011-09-16 | 2014-11-05 | 海尔集团公司 | 无线充电的实现装置 |
KR101541570B1 (ko) * | 2011-09-30 | 2015-08-04 | 삼성전기주식회사 | 코일 부품 및 그 제조방법 |
JP5893892B2 (ja) | 2011-10-31 | 2016-03-23 | 株式会社タムラ製作所 | リアクトル及びその製造方法 |
KR101503967B1 (ko) * | 2011-12-08 | 2015-03-19 | 삼성전기주식회사 | 적층형 인덕터 및 그 제조방법 |
JP5965148B2 (ja) * | 2012-01-05 | 2016-08-03 | 日東電工株式会社 | 無線電力伝送を用いたモバイル端末用受電モジュール及び当該モバイル端末用受電モジュールを備えたモバイル端末用充電池 |
US8824161B2 (en) * | 2012-06-15 | 2014-09-02 | Medtronic, Inc. | Integrated circuit packaging for implantable medical devices |
US9520222B2 (en) * | 2012-09-28 | 2016-12-13 | Ibiden Co., Ltd. | Wiring board and method for manufacturing wiring board |
CN102969304B (zh) * | 2012-11-21 | 2016-01-20 | 电子科技大学 | 三维集成微型变压器 |
US10312007B2 (en) * | 2012-12-11 | 2019-06-04 | Intel Corporation | Inductor formed in substrate |
JP6170568B2 (ja) * | 2012-12-19 | 2017-07-26 | テレフオンアクチーボラゲット エルエム エリクソン(パブル) | 平面トランス |
US20140266546A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Hengchun Mao | High Density Packaging for Efficient Power Processing with a Magnetic Part |
US20140320252A1 (en) * | 2013-04-29 | 2014-10-30 | Skyworks Solutions, Inc. | Low loss impedance transformers implemented as integrated passive devices and related methods thereof |
DE102014210013A1 (de) | 2014-05-26 | 2015-11-26 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Magnetische Platine und Verfahren zu deren Herstellung |
CN104022113B (zh) * | 2014-06-16 | 2018-09-11 | 中国科学院自动化研究所 | 一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器 |
WO2016094140A1 (en) * | 2014-12-10 | 2016-06-16 | Suzhou Qing Xin Fang Electronics Technology Co., Ltd. | Methods and devices of laminated integrations of semiconductor chips, magnetics, and capacitance |
WO2017111910A1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-29 | Intel Corporation | High performance integrated rf passives using dual lithography process |
JP6447567B2 (ja) * | 2016-04-28 | 2019-01-09 | 株式会社村田製作所 | 多層基板 |
CN106935381B (zh) * | 2017-05-12 | 2018-07-27 | 绵阳市维博电子有限责任公司 | 一种微型高隔离耐压无磁芯pcb变压器 |
CN111092536B (zh) * | 2018-10-19 | 2021-07-06 | 台达电子工业股份有限公司 | 平面型变换器 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4117878C2 (de) * | 1990-05-31 | 1996-09-26 | Toshiba Kawasaki Kk | Planares magnetisches Element |
JP2941484B2 (ja) * | 1991-05-31 | 1999-08-25 | 株式会社東芝 | 平面トランス |
US5565837A (en) * | 1992-11-06 | 1996-10-15 | Nidec America Corporation | Low profile printed circuit board |
US5990776A (en) * | 1994-12-08 | 1999-11-23 | Jitaru; Ionel | Low noise full integrated multilayers magnetic for power converters |
US5631822A (en) * | 1995-08-24 | 1997-05-20 | Interpoint Corporation | Integrated planar magnetics and connector |
JPH1140915A (ja) * | 1997-05-22 | 1999-02-12 | Nec Corp | プリント配線板 |
DE29824187U1 (de) * | 1997-07-10 | 2000-10-19 | Melcher Ag Uster | Multilayer-Planarinduktivität |
JP3712163B2 (ja) * | 1997-12-18 | 2005-11-02 | 株式会社村田製作所 | コイル部品の設計方法 |
JP3621300B2 (ja) * | 1999-08-03 | 2005-02-16 | 太陽誘電株式会社 | 電源回路用積層インダクタ |
-
2001
- 2001-11-16 JP JP2002544733A patent/JP2004515056A/ja not_active Abandoned
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-
2002
- 2002-02-22 TW TW091103176A patent/TW578172B/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008504054A (ja) * | 2004-06-28 | 2008-02-14 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Rf場で使用する送信線 |
JP2008166407A (ja) * | 2006-12-27 | 2008-07-17 | Tdk Corp | 電子素子及び電子素子の製造方法 |
JP2017034283A (ja) * | 2012-02-20 | 2017-02-09 | ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド | 電力伝送用途のための大電流かつ低等価直列抵抗のプリント回路基板コイル |
US9818527B2 (en) | 2012-02-20 | 2017-11-14 | Futurewei Technologies, Inc. | High current, low equivalent series resistance printed circuit board coil for power transfer application |
US9837201B2 (en) | 2012-02-20 | 2017-12-05 | Futurewei Technologies, Inc. | High current, low equivalent series resistance printed circuit board coil for power transfer application |
US10431372B2 (en) | 2012-02-20 | 2019-10-01 | Futurewei Technologies, Inc. | High current, low equivalent series resistance printed circuit board coil for power transfer application |
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