JP2009284657A - 電子機器、電子回路基板の接続方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1電子回路基板2と、第2電子回路基板4と、第1電子回路基板2に接続された第1コイル3aと、第2電子回路基板4に接続された第2コイル3bと、を備え、第1コイル3aから第2コイル3bへ電磁誘導により電力を送電することで、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4の間を電気的に接続する。
【選択図】図1
Description
しかし、同文献で用いられているコイルの構造では、各コイルの大きさはそれぞれ1〜3cm角で、厚さが5〜10mmであり、より小型な電子機器へ適用するためには、更なるコイルの小型化・薄型化を行わなければならないという課題があった。
しかし、同文献に記載の技術は、フレキシブル基材17上に2種類のコイルアンテナを構成するものであり、電子回路基板間を無結線で接続するものではない。
しかし、信号線が同期的に変化するパラレル信号である場合は同技術の適用が容易であるものの、非同期で変化するパラレル信号、または非同期で変化するパラレル信号とシリアル信号、アナログ信号を合わせて信号伝送することは困難であった。
また、第1電子回路基板と第2電子回路基板の間に接点がないため、接続部の信頼性、経年劣化や環境による劣化耐力、および取り扱いやすさが向上する。
また、第1電子回路基板と第2電子回路基板の接続部の小型化・薄型化が可能となり、これらを搭載した電子機器の小型化が可能となる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る電子機器1の構成図である。
図1において、電子機器1は複数の電子回路基板から構成されており、図1では第1電子回路基板2と第2電子回路基板4とから構成される。
第1電子回路基板2は電子機器1の主機能を実現するための電子回路基板であり、第2電子回路基板4は電子機器1の補助的機能を実現するための電子回路基板である。
第1電子回路基板2には第1コイル3aが、第2電子回路基板4には第2コイル3bがそれぞれ接続されている。以後、第1コイル3aと第2コイル3bを総称するときは、コイル3と呼ぶ。
このため、第1電子回路基板2から第2電子回路基板4への電力供給および第1電子回路基板2と第2電子回路基板4との間の信号の送受信については、電磁誘導により第1コイル3aおよび第2コイル3bを介して行われる。
主機能部5は、電子機器1の主機能を実現する。
一次側非接触給電・通信部6は、主機能部5および第1コイル3aと接続され、第2電子回路基板4への電力供給および第2電子回路基板4との間の通信信号の送受信のための機能を有する。
主機能部5と一次側非接触給電・通信部6とは、主機能部出力信号線13、主機能部入力信号線14、主機能部電源出力15で接続されている。
一次側通信回路7は、主機能部5と補助機能部9との間で送受信される通信信号を第1コイル3aと第2コイル3bを介して送受信するため、主機能部出力信号線13および主機能部入力信号線14を介して伝達される信号に応じて第1コイル3a電流に対する変復調処理を行う。
一次側電源回路8は、第1電子回路基板2から第2電子回路基板4への電力供給を行うための電力供給処理を行い、第1コイル3a電流の制御を行う。
また、主機能入力線14の例として、シリアル信号の入力となる主機能シリアル入力信号線14sとパラレル信号を入力する主機能パラレル入力信号線14pが挙げられる。
主機能出力信号線13および主機能入力信号線14には、シリアル信号およびパラレル信号のようなデジタル信号線ではなく、アナログ信号線を用いてもよい。
補助機能部9は、電子機器1の補助的な機能を実現する。
二次側非接触給電・通信部10は、補助機能部9および第2コイル3bと接続され、第1電子回路基板2から供給された電力を第2電子回路基板4へ電源として供給する機能、および第1電子回路基板2との通信信号の送受信のための機能を有する。
補助機能部9と二次側非接触給電・通信部10とは、補助機能部入力信号線16、補助機能部出力信号線17、補助機能部電源入力18で接続されている。
二次側通信回路11は、主機能部5と補助機能部9との間で送受信される通信信号を第1コイル3aと第2コイル3bを介して送受信するため、補助機能部入力信号線16および補助機能部出力信号線17を介して伝達される信号に応じて第2コイル3b電流に対する変復調処理を行う。
二次側電源回路12は、第1電子回路基板2より給電された電力を受け、第2電子回路基板4の電源として供給する。
ここで、補助機能入力信号線16および補助機能出力信号線17には、シリアル信号およびパラレル信号のようなデジタル信号線ではなく、アナログ信号線を用いてもよい。
コイル3は、フレキシブル基材21とフレキシブル基材21上に固定された銅箔などによる回路パターン22からなるフレキシブル基板で構成されたコイルであり、全体的な構成として、コイル部23、接続部24、および接続端子部25からなる。
回路パターン22は、表面の回路パターン22aと裏面の回路パターン22bからなる。また、回路パターン22aと回路パターン22bはスルーホール26により接続されている。
また、コイル面中心部のコイルパターンのない領域の面積が大きいほどコイル同士を対向させた際の中心位置からのずれに対して性能の低下が抑制できる。
対向させた際にお互いのコイルにおいて、コイル面中心部のコイルパターンのない部分の重なる面積が大きいほど、コイル間の結合度は高くなる。
図4に示すように、第1コイル3aと第2コイル3bは、対向させて配置させる。このとき、各コイルはコイル間ギャップ30の間隔があけられた状態で配置される。
コイル間ギャップ30は、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4との取り付け状態により変化する。
たとえば、樹脂ケースなどにより第1電子回路基板2と第2電子回路基板4とが覆われている場合、樹脂ケースの厚み分のギャップが発生する。また、樹脂ケースのようなものが不要な場合は、第1コイル3aと第2コイル3bとがほぼ密着状態で配置される。
磁性体31は、第1コイル3aと第2コイル3bのそれぞれについて、コイル同士の対向面と反対側の面に取り付けられている。
磁性体31を設けることにより、第1コイル3aと第2コイル3bとの間の結合度の向上、コイル3からの磁束の漏れの抑制による付近の回路への悪影響の抑制を図ることができる。しかし、これらの対策が不要であれば設ける必要はない。
磁性体31のサイズは、磁性体31によりコイルより発生する磁束の集中を促し、漏れ磁束を削減するためにも、フレキシブル基板コイルの最も外周を通るコイル巻線パターン部より大きくするとよい。
磁性体31の厚みについては、用いるコイルから発生する磁束の磁束飽和に対して余裕の得られる厚みとすることが望ましい。フレキシブル基板コイルの薄さを生かすためにも0.5m以下の厚みとするとよい。
次に、本実施の形態1に係る電子機器1の動作を、下記ステップ(1)〜(11)で説明する。
(2)第1コイル3aに電流が流れることにより、第2コイル3bに電磁誘導による電流が発生する。
これにより、第2電子回路基板4の補助機能部9および二次側非接触給電・通信部10が動作する。
(5)第1コイル3aに電流が流れることにより、第2コイル3bに電磁誘導による電流が発生する。
重畳させるには、電力供給電流と異なる周波数を用いる手段や、電力給電用電流の振幅を変える手段などを用いることができる。
(7)第2電子回路基板4の二次側非接触給電・通信部10の二次側通信回路11では、第2コイル3bに流れる電流から通信信号成分を取り出し復調を行い、第1電子回路基板2の主機能部5からの受信情報として、補助機能部9へその受信情報を渡す。
(9)第2コイル3bに電流が流れることにより、第1コイル3aに電磁誘導による電流が発生する。
重畳させるには、電力供給電流と異なる周波数を用いる手段や、受電側の負荷あるいは共振周波数を変化させることによる第1コイル3aに生じる電流の変化(負荷変調)に通信信号を重畳させる手段を用いることができる。
(11)第1電子回路基板2の一次側非接触給電・通信部6の一次側通信回路7では、第1コイル3aに流れる電流から通信信号成分を取り出し復調を行い、第2電子回路基板4の補助機能部9からの受信情報として、補助機能部9へその受信情報を渡す。
次に、図1の構成の適用例を説明する。
(a)電子機器1の主機能部5に対して、補助機能部9を主機能部5と絶縁する用途
(b)補助機能部9を主機能部5から着脱する用途
(c)着脱とともに複数の補助機能を用途に応じて交換する用途
空気調和機のリモコンは、空気調和機の室内機と接続され、空気調和機の操作を行う。この機能は、当該リモコンの主機能部5に対応する。
リモコンは、空気調和機の操作を行う機能以外に、補助機能として、空気調和機の管理する情報をリモコン外部と入出力を行う機能を有する。この、リモコン外部と入出力する補助機能は、第2電子回路基板4上の補助機能部9が受け持つ。
必要に応じて、補助機能を切り替えることを可能とするため、第2電子回路基板4としてLANインターフェース基板およびUSBインターフェース基板を用意し、交換可能とする。
このような場合に、人が触れる可能性のある端子部に絶縁破壊による交流電源電圧がそのまま印加されると、端子部に触れた人が感電する等の危険性がある。
図1の構成を採用すると、リモコンの電子回路基板とインターフェースの電子回路基板は有線接続されておらず、電磁誘導作用を用いて電気的に接続されているので、両者の間は絶縁されており、端子部を人が触れても感電等するおそれがない、という利点がある。
次に、空気調和機の室外機の制御基板に図1の構成を採用した例を説明する。
図1の構成では、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4とは電子機器1の内部に構成されるものとしたが、第2電子回路基板4は必ずしも電子機器1の内部にある必要はない。
第1電子回路基板を空気調和機の室外機制御基板、第2電子回路基板4を空気調和機のメンテナンス用回路基板であるものと仮定する。
ところが、空気調和機の室外機は屋外に設置されており、温度変化や直射日光、風雨などの影響を受ける環境にあるため、上述の接点端子は環境の影響を受けて劣化する可能性が高い。
本実施の形態1に係る電子機器1を適用すると、空気調和機の室外機制御基盤とメンテナンス用回路基板とを電気的な結線で接続する必要がないため、上述の接点端子が劣化しても、電気的な接続にはあまり影響が生じない。これにより、室外機制御基板の環境劣化耐力を向上することができる。
これにより、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4間の絶縁を行うことが可能となる。
さらには、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4との接続部の取り扱いが容易となり、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4の着脱も容易となる。
また、フレキシブル基板は薄く、曲げることも可能であるため、コイルの配置位置の自由度が向上し、取り扱いが容易になる。
また、コイル3の厚みを薄くすることができ、対向する第1コイル3aと第2コイル3bの対抗面と逆の面に磁性体を設けることで、磁束の漏れによる周辺回路への影響の抑制を向上することが可能となるとともに、第1コイル3aと第2コイル3b間の結合度を向上することが可能となる。
実施の形態1では、通信に用いるコイル3と電力の送受電に用いるコイル3とを共用とした。したがって、実施の形態1では、第1電子回路基板2に接続されるコイル3は第1コイル3aのみであり、また第2電子回路基板4に接続されるコイル3は第2コイル3bのみであった。
本発明の実施の形態2では、コイル3を電力送受電用と通信用とに分けて構成した例を説明する。
この場合、実施の形態1に説明したように、通信用コイルと電力用コイルを共用化することが可能である。
したがって、同一コイルで上述の双方の要求を実現することが困難となる。
そこで、本実施の形態2では、通信速度の向上と電力供給量向上の両立のため、コイル3を通信用コイルと電力用コイルとして分割して用いる構成とした。ここでの通信速度は240kbps以上、給電電力は1W以上を想定する。
図5において、第1電子回路基板2には、一次側非接触給電・通信部6の一次側通信回路7に第1通信用コイル3Caが接続され、一次側電源回路8に第1電力用コイル3Paが接続される。
同様に第2電子回路基板4には、二次側非接触給電・通信部10の二次側通信回路11に第2通信用コイル3Cbが接続され、二次側電源回路12には、第2電力用コイル3Pbが接続される。
各コイルは、第1通信用コイル3Caと第2通信用コイル3Cbとが対向し、第1電力用コイル3Paと第2電力用コイル3Pbとが対向する構成となる。
コイルの巻線数などの仕様は、通信用コイル3Caと3Cb、電力用コイル3Paと3Pbで同一とせず、それぞれの性能を得るために仕様を変えることも可能である。また、対向する第1コイルと第2コイルを同一仕様のコイルとせず、巻線数などの仕様を変えてもよい。
図6において、25Caは第1通信用コイル3Caの接続端子、25Cbは第2通信用コイル3Cbの接続端子、25Paは第1電力用コイル3Paの接続端子、25Pbは第2電力用コイル3Pbの接続端子である。
上部磁性体31a、下部磁性体31bは、コイル全体を挟み込む形で配置され、中部磁性体31cは、通信用コイルと電力用コイルを分離する形で配置される。
30は、通信用コイルと電力用コイルそれぞれにおける第1コイルと第2コイル間のギャップを示す。
また、ギャップ30を介して中部磁性体31cを挟み込む形で、上側に第1通信用コイル3Ca、下側に第1電力用コイル3Paが配置される。さらに、第1通信用コイル3Caの外側に上部磁性体31a、第1電力用コイル3Paの下側に下部磁性体31bを配置する。
このように、フレキシブル基板コイルの面方向に各コイルを重ねて配置する。
図6の構成では、周波数や電流値などの使用条件により通信用コイル3Ca、3Cbと電力用コイル3Pa、3Pbとが互いに干渉し合い、それぞれの性能を低下させる場合もある。そのような場合は、図7に示す構成で干渉を抑えることができる。
そこで図7のように、中部磁性体31cを中部磁性体31dと中部磁性体31eの二つに分け、その間に磁気遮蔽材32をはさむことで、通信用コイル3Ca、3Cbと電力用コイル3Pa、3Pb間の磁束を遮断し、お互いの干渉を抑制する。
アルミニウムは、直流磁場においては非磁性体であり、コイルの出力する磁束に影響を与えないが、交流磁場においては反磁性体となり、コイルから発生する磁束を打ち消す方向に磁束が発生する。
この作用により、磁気遮蔽材32の逆面に対して、磁束が透過し、コイル間での干渉を抑制することが可能となる。
図5〜図7において、通信用コイルと電力用コイルを分割した構成例を示したが、コイルを通信用と電力用とで分ける方法として、図8に示すようなコイルを用いることも可能である。
図8に示すコイルは、図2や図3と同様にフレキシブル基板で構成されるコイルであるが、中間タップ27を用いて1つの巻線を複数に分割することで1つのコイルを複数のコイルとして用いる。
ただし、通信用コイルと電力用コイルを分離する方法と比較し、互いの干渉を抑制する効果は低下する。
また、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4に接続するコイル3をフレキシブル基板で構成したため、実施の形態1と同様の効果を発揮することができる。
これにより、これらを搭載する電子機器の小型化が可能となる。
これにより、コイル体積の増加が抑制でき、コイルを共用した構成のような1組のコイルを用いた場合と同等の取り扱いやすさを得ることが可能となる。
また、複数のコイルを用いる場合と比較し、対向するコイルの位置決めが1つのコイルだけで実現でき、コイル性能の信頼性を高めることが可能となる。
また、互いのコイルを分離する中部磁性体31cを共用化することで、磁性体の数を減らすことが可能となり、これらを搭載する電子機器の小型化、低コスト化が可能となる。
これにより、コイルを共用化した際と同等の取り扱い易さを得ることが可能となる。
本発明の実施の形態3では、フレキシブル基板コイルの特徴を利用し、複数のコイルを重ねて直列接続することにより、コイル巻線の巻き数(コイルのインダクタンス値)を調整する構成を説明する。
なお、後述の図9で説明するコイル3以外の構成は、実施の形態1〜2と同様であるため、説明を省略する。
通信用途では、第1コイルと第2コイル間で電磁誘導により供給する電力は数mWオーダの電力でよいが、電力用途では、第2電子回路基板4を動作させるために数百mWから数W以上の電力を供給する必要がある。
このため電力用コイルの用途では、通信用コイルと比較し100〜1000倍以上の電力送電を行う必要がある。
大電力を送るために、コイル仕様として、電力用コイル巻線の巻き数は通信用コイル巻線の巻き数より多くする必要がある。通信用コイルと電力用コイルの巻き数比は、通信用1に対して電力用4以上が必要となる。
たとえば、240kbps(bit/s)の通信速度を必要とする場合、通信用に用いる搬送波の周波数は通信速度の10倍程度の2.4MHzとすればよい。また、たとえば240Mbpsの通信速度を実現する場合は、通信用に用いる搬送波の周波数は2.4GHzなどとすればよい。
このため、電力用コイルに流れる電流は通信と比較し低周波数とし、また、電磁誘導の効果を高めるためコイルのインダクタンスも高くする、つまりコイル巻線の巻き数を多くする必要がある。
次に、本実施の形態3に係るコイル3の構成を説明する。
このため巻き数を同じとした場合に、同一サイズで巻線をボビンに巻いて構成したコイルと比較し、インダクタンスが低くなり、コイル性能が低くなるが、巻線コイルと比較し厚みは薄くすることができる。
これを利用し、フレキシブル基板コイルでは、後述の図9のように複数のコイルを用いてコイル同士を直列接続し重ねて用いることで、コイルの巻線の数(コイルのインダクタンス値)を調整できる。
また、フレキシブル基板コイルでは重ねても急激にコイルの厚みが増加するわけではないので、磁性体の配置もコイル1枚の際と同様にコイルの対抗面の反対面に配置することで対応できる。
図9において、第1コイル3aは二枚のコイル3a−1、3a−2から構成され、第1コイル3aに備えられている各コイルの接続端子25a−1、25a−2を各コイルが直列接続となるように接続する。
同様に、第2コイル3bは二枚のコイル3b−1、3b−2から構成され、第2コイル3bに備えられている各コイルの接続端子25b−1、25b−2を各コイルが直列接続となる用に接続する。
同様に、第2コイル3bについてもコイル3b−1とコイル3b−2の組み合わせを要求仕様にあわせて変更することができる。
異なる仕様のコイルを複数作るよりも、1種類の仕様のコイルだけ用いるほうが、コイル一枚あたりのコストを低減できることから、通信用コイルと電力用コイルの仕様は同一とし、電力用のコイルは直列数を増やすことで必要なコイル巻線の巻き数(コイルのインダクタンス値)を得る。
また、フレキシブル基板で構成されるコイルであれば厚みは50μm以下であるため、複数枚重ねても、電子回路基板の厚みよりも薄くすることが可能である。
このような場合は、第1電力用コイル3Paよりも第2電力用コイル3Pbの巻き数を多くするとよい。
そのため、直列接続したコイルは重ね合わせることが可能であり、重ねるとともに対向面の反対面への磁性体配置もコイル1枚の際と同様に行うことができる。
これにより、様々な仕様のコイルの構成を容易とするとともに、コイルの小型化、薄型化が可能となる。
これにより、コイル作成に必要なコストの低減が可能となり、これを用いる電子機器のコストの上昇を抑制することができる。
したがって、通信用と電力用それぞれの用途に適した搬送波周波数を用いることが容易である。
本発明の実施の形態4では、フレキシブル基板コイルの特徴を利用し、複数のコイルを重ねて直列接続することにより、コイル巻線の断面積(電流容量)を調整する構成を説明する。
なお、後述の図10で説明するコイル3以外の構成は、実施の形態1〜2と同様であるため、説明を省略する。
多層基板のフレキシブル基板により回路を構成すれば構成可能な分だけの並列回路を構成することが可能となるが、並列パターンを構成する層は同一コイル巻線と同じであるため、コイルの面積を一定と仮定した場合、並列パターンを用いない場合と比較し、一枚のコイルに構成可能なコイルの巻き数が減ることになる。
図10において、第1コイル3aは二枚のコイル3a−1、3a−2から構成され、第1コイル3aに備えられている各コイルの接続端子25a−1、25a−2を各コイルが並列接続となるように接続する。
同様に、第2コイル3bは二枚のコイル3b−1、3b−2から構成され、第2コイル3bに備えられている各コイルの接続端子25b−1、25b−2を各コイルが直列接続となるように接続する。
第2コイル3bについても第1コイル3a−1とコイル3a−2と同様に構成する。
図10において、並列化された各コイルの接続端子は、第1コイル接続端子33a、第2コイル接続端子33bに集約される。
通信用コイルのサイズと電力用コイルのサイズを異なるサイズとして構成することも可能であるが、それぞれ異なる仕様のコイルが必要となるとともに、電子機器1内部にこれらコイルを配置する際に、通信用コイルと電力用コイルの大きさの違いが配置位置や配置手段に影響を与えるため、通信用コイルと電力用コイルのサイズは同じほうがよい。
コイル巻線の巻き数の増加には、実施の形態3で説明したように、コイルの直列接続を行えばよい。
実施の形態3で説明したフレキシブル基板コイルの直列接続と、実施の形態4で説明したフレキシブル基板コイルの並列接続を組み合わせることで、コイル巻線の巻き数(インダクタンス)やコイル巻線の断面積(電流容量)を変えることができる。
同一仕様のコイルを4枚用い、2枚を直列接続したものを2組構成し、それらを並列に接続する。これにより基本の1枚のコイルと比較し、コイル巻線の巻き数が2倍で、コイル巻線の断面積(電流容量)が2倍としたコイルを構成することができる。
この4枚のコイルを重ね合わせ、図4と同様にコイルの一方の面に磁性体31を配置することで、第1あるいは第2コイルを構成することができる。
よって、基本的な仕様のコイルを数点用意しておけば、並列数の変更により、種々のコイル仕様に対応可能となる。
そのため、並列接続したコイルは重ね合わせることが可能であり、重ねるとともに対向面の反対面への磁性体配置もコイル1枚の際と同様に行うことができる。
これにより、様々な仕様のコイルの構成を容易とするとともに、コイルの小型化、薄型化が可能となる。
これにより、コイル作成に必要なコストの低減が可能となり、これを用いる電子機器のコストの上昇を抑制することができる。
図11は、本発明の実施の形態5に係る電子機器1の構成図である。同図は、電子機器1の内部における第1電子回路基板2、第2電子回路基板4、第1コイル3a、第2コイル3bの配置例を示す。
第1電子回路基板2は、電子機器1の主機能を実現する回路であり、一次側回路部品34a、一次側コイル接続部35a、一次側コイル接続部35aに接続された第1コイル3a、第1コイル3aの一方の面に配置された磁性体31aを備える。
第2電子回路基板4は、電子機器1の補助機能を実現する回路であり、二次側回路部品34b、二次側コイル接続部35b、二次側コイル接続部35bに接続された第2コイル3b、第2コイル3bの一方の面に配置された磁性体31bを備える。
第2コイル3bはフレキシブル基板で構成されるため、第2コイル3bの接続端子部24b部を曲げることで、第2電子回路基板4の二次側回路部品34bの実装面と反対の面に固定している。
また、第1電子回路基板2に接続された第1コイル3aも同様にフレキシブル基板で構成されるため、第2電子回路基板4の下面と電子機器1のケースの間(図示せず)などの狭い空間に配置することができる。
図11の例では、第2電子回路基板4に第2コイル3bを固定する例について示したが、第1電子回路基板2に第1コイル3aを固定してもよい。
また、一方のコイルを電子回路基板に固定することで、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4の配置や固定が容易となり、取り扱いが簡単になる。
図12は、本発明の実施の形態6に係る電子機器1の構成図である。図12における各構成要素は、配置手法を除いて図11と同様であるため、同様の符号を付して説明を省略する。
第1コイル3aはフレキシブル基板で構成されるため、第1コイル3aの接続端子部24aを曲げることで、第1電子回路基板2の一次側回路部品34aの実装面と反対の面に固定している。
同様に、第2電子回路基板4において、二次側回路部品34bの実装されていない面に磁性体31bが固定され、磁性体31bの電子回路基板と反対面に第2コイル3bが固定されている。
第2コイル3bはフレキシブル基板で構成されるため、第2コイル3bの接続端子部24bを曲げることで、第2電子回路基板4の二次側回路部品34bの実装面と反対の面に固定している。
以上のように構成された第1電子回路基板2と第2電子回路基板4は、各コイルが対向するように配置される。第1電子回路基板2と第2電子回路基板4は、電子機器1のケース(図示せず)などによりそれぞれ固定される。
図13は、本発明の実施の形態7に係る電子機器1の構成図である。同図は、電子機器1の内部における第1電子回路基板2、第2電子回路基板4、第1通信用コイル3Ca、第1電力用コイル3Pa、第2通信用コイル3Cb、第2電力用コイル3Pbの配置例を示す。
図13の第2通信用コイル3Cbと第2電力用コイル3Pbと磁性体31の構成は、実施の形態2の図6で示した構成と同様である。図7で示した構成としてもよい。
これらの構成の詳細については実施の形態2と同様であるため、説明は省略する。
これにより、第1通信用コイル3Caと第1電力用コイル3Paとは対向する状態でコイル固定手段36に固定される。
このとき、対向する第1通信用コイル3Caと第1電力用コイル3Paとの間にはギャップが形成され、ここに第2通信用コイル3Cbと第2電力用コイル3Pbとそれらが挟み込む磁性体31から構成される第2電子回路基板4に接続されたコイルを挿入する。
このとき、第1通信用コイル3Caと第2通信用コイル3Cbとが対向し、第1電力用コイル3Paと第2電力用コイル3Pbとが対向するように配置される。
コイルから発生する磁束による電子回路基板への誤動作等の影響の抑制や、コイルの近傍にある金属による電力給電性能、通信性能の低下をふせぐために、コイルの一方の面に配置された磁性体31のコイルと反対の面に磁気シールドを配置してもよい。
また、各コイルをフレキシブル基板で構成したため、コイル固定に要する空間を削減することが可能となり、これにより電子機器1の小型化、薄型化、低コスト化を実現することができる。
また、一方のコイルを他方のコイルで挟み込み、固定することで、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4の配置や固定が容易となり、取り扱いが簡単になる。
以上の実施の形態1〜7では、第1電子回路基板2と第2電子回路基板4の周辺構成を中心に説明した。本発明の実施の形態8では、両基板間の通信や電力送受電に係る具体的な動作例を説明する。
なお、以下の説明では、各部の構成は実施の形態2のように通信用コイルと電力用コイルが分離している構成を例にするが、両者が共用化されている場合でも、原則的な動作は同様であることを付言しておく。
図14において、一次側電源回路8は、電源供給部40、一次側平滑手段41、交流変換手段42、一次側共振用コンデンサ43を備える。
二次側電源回路12は、二次側共振用コンデンサ44、整流手段45、二次側平滑手段46、電圧変換手段47、二次側電圧出力部48を備える。
一次側平滑手段41は、電界コンデンサより構成される。
交流変換手段42は、トランジスタやMOSFET、IGBTなどのブリッジ状に構成されたスイッチング素子と、各スイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング素子制御手段42eから構成される。42a、42b、42c、42dはそれぞれスイッチング素子を示す。
交流変換手段42は、フルブリッジ回路構成としているが、ハーフブリッジ回路構成としてもよい。また、各スイッチング素子42a〜42dは、スイッチング素子制御手段42e(図示せず)によりオン/オフ制御される。
整流手段45は、ダイオードなどにより構成される。図9では半波整流回路方式について記載しているが、全波整流回路方式を用いてもよい。
二次側平滑手段46は、コンデンサ46aまたは電界コンデンサ46bで構成される。
電圧変換手段47は、レギュレータ47a、コンデンサ47b、電界コンデンサ47cで構成される。
(2)このとき、交流変換手段42では、第1電力用コイル3Paと一次側共振コンデンサ43、第2電力用コイル3Pbと二次側共振コンデンサ44に共振が生じる周波数を出力する。
(4)このとき二次側非接触給電・通信部10では二次側電源回路8において、第2電力用コイル3Pbに得られた交流電力を整流手段45により整流し、二次側平滑手段46により平滑化することで直流電力に変換する。
図14では、第1電力用コイル3Paと一次側共振コンデンサ43とは直列接続構成としているが、用いる回路構成に応じて並列接続としてもよい。同様に、第2電力用コイル3Pbと二次側共振用コンデンサ44は並列接続としているが、用いる回路構成に応じて直列接続としてもよい。
図15において、一次側通信回路7は、一次側変調回路7a、一次側復調回路7b、一次側信号合成・分割手段7c、一次側通信用共振コンデンサ50を備える。
一次側通信回路7は、第1通信用コイル3Caおよび主機能部5と接続される。主機能部5が出力する送信信号は主機能信号出力線13を介して一次側通信回路7へ入力され、主機能部5に入力する受信信号は主機能信号入力線14から出力される。
一次側変調回路7aと一次側信号合成・分割手段7cとは一次側送信信号入力51と接続され、一次側復調回路7bと一次側信号合成・分割手段7cとは一次側受信信号出力58とで接続される。
一次側電源59は、主機能部電源出力15より得られる電源である。
主機能部出力信号線13が1つである場合は、信号の合成は不要であるため、主機能部信号出力13と一次側送信信号入力51とを直接接続してもよい。
また、主機能部入力信号線14が1つである場合は、信号の分割は不要であるため、主機能部入力信号線14は一次側受信信号出力58と直接接続してもよい。
一次側信号合成・分割手段7cが必要ない場合は、省略してもよい。
一次側復調回路7b(一次側復調手段55と一次側信号増幅手段56と一次側バッファ手段57)は、第1電子回路基板2が第2電子回路基板4から通信信号を受信する時に用いられる。
二次側通信回路11は、第2通信用コイル3Cbおよび補助機能部9に接続される。補助機能部9が出力する送信信号は補助機能信号出力線17を介して二次側通信回路11へ入力され、補助機能部9に入力する受信信号は補助機能信号入力線16から出力される。
二次側変調回路11aと二次側信号合成・分割手段11cとは二次側送信信号入力61と接続され、二次側復調回路11bと二次側信号合成・分割手段11cとは二次側受信信号出力68と接続される。
二次側電源69は、補助機能部電源入力18より得られる電源である。
補助機能部出力信号線17が1つである場合は、信号の合成は不要であるため、補助機能部信号出力17と二次側送信信号入力とを直接接続してもよい。
また、補助機能部入力信号線16が1つである場合は、信号の分割は不要であるため、補助機能部入力信号線16は二次側受信信号出力68と直接接続してもよい。
二次側信号合成・分割手段11cが必要ない場合は、省略してもよい。
二次側復調回路11b(二次側復調手段65と二次側信号増幅手段66と二次側バッファ手段67)は、第2電子回路基板4が第1電子回路基板2から通信信号を受信する時に用いられる。
なお、図15では、一次側通信回路7と二次側通信回路11の構成が対称となる構成例について示した。また、変調方式はASK(Amplitude Shift Keying)方式を用いるものとした。
一次側変調手段53は、一次搬送波発生手段52から得られる搬送波と、一次側送信信号入力51から得られる送信信号とから、電磁誘導により通信を行う際の通信信号を生成する。図15に示した例では、AND回路により構成されている。
一次側信号増幅手段56は、復調された信号を増幅する。図15に示した例では、オペアンプを用いた増幅回路としている。
一次側バッファ手段57は、受信した通信信号をデジタル信号として安定化させる。
図16において、一次側通信回路7の内部に構成される、一次側変調回路7aと一次側復調回路7bは、図15で説明したものと同様であるため説明を省略する。
シリアルデータ受信手段74は、コイル送信データバッファ76と接続される。シリアルデータ受信手段74は、受信したシリアルデータをコイル送信データバッファ76の所定の領域に格納する。
主機能部パラレル出力信号線13pは、データエンコーダ部75と接続される。データエンコーダ部75は、主機能部パラレル出力信号線13pから入力されたデータの読み込みを行う。
このとき、データエンコーダ部75は、主機能部パラレル出力信号線13pから入力されたデータを単純にパラレルデータからシリアルデータに変換してもよい。また、データの圧縮、冗長性の付与などデータ変換処理を行い、変換後のデータをコイル送信データバッファ76に格納してもよい。
コイル送信部77は、コイル送信データバッファ76に格納されたデータを、一次側通信回路7と二次側通信回路11との間で通信を行うために決められた所定の通信速度に応じた周期で、一次側送信信号入力51を介して接続された変調回路7aに出力する。
変調回路7aは、第1通信用コイル3Caと接続され、コイル送信部77から出力された信号に変調をかけるとともに、第1通信用コイル3Caに流す電流の制御を行う。
また、コイル受信部78は、コイル受信データバッファ79と接続され、サンプリングしたデータをコイル受信データバッファ79に順次格納する。
コイル受信データバッファ79は、シリアルデータ送信手段80とデータデコーダ部81と接続される。
このとき、データデコーダ部81は、コイル受信データバッファ79に格納されたデータの所定領域のデータを主機能部パラレル入力信号性14pに単純に出力してもよい。あるいは、コイル受信データバッファ79に格納されたデータの所定領域のデータに対し、データの伸張、冗長性の削除などデータ変換処理を行い、変換後のデータを主機能部パラレル入力線14pに出力してもよい。
タイマ73は、一次側信号合成・分割手段7cにおける時間管理を行う。
タイマ73は、データエンコーダ部75、データデコーダ部81、コイル送信部77、コイル受信部78と接続される。
タイマ73は、データエンコーダ部75に対して、主機能部パラレル出力線13pの信号の読込タイミング、データ変換タイミング、コイル送信データバッファ76への格納タイミング等を通知する。
また、データデコーダ部81に対して、コイル受信データバッファ79からの読込タイミング、データ変換タイミング、主機能パラレル入力線14pの出力信号の更新タイミング等を通知する。
また、コイル送信部77に対して、一次側通信回路7と二次側通信回路11との間での通信を行う際の送信タイミングの時間管理を行い送信タイミングの通知を行う。
また、コイル受信部78に対して、一次側通信回路7と二次側通信回路11との間での通信を行う際に受信の次の処理を行うための時間管理を行い、受信完了等の受信動作イベントのタイミングをコイル受信部78から受け取る。
(2)シリアルデータ受信手段74は、主機能部シリアル出力線13sに出力されたシリアルデータを受信し、コイル送信データバッファ76の所定領域に格納する。
(4)主機能部シリアル出力線13sと主機能部パラレル出力線13pから出力されたデータが1つのデータとして、コイル送信データバッファ76に格納される。
(6)変調回路7aは、一次側送信信号入力51から1/0あるいはHigh/Lowで示される通信信号を一次側非接触給電・通信部6に出力する。
(8)変調信号により一次側電流制御手段54のトランジスタがオン/オフ動作し、これにより、一次側電源59から第1通信用コイル3Caに流れる電流が制御される。
(10)第2通信用コイル3Cbに誘起された電力から、二次側復調手段65により搬送波成分が除去され、通信信号が復調される。
(12)安定化された信号は、二次側受信信号出力68より出力され、補助機能部9に取り込まれる。
このときは、シリアル信号とパラレル信号の数に応じて、シリアル受信手段74およびデータエンコーダ部75の数を増やせばよい。
また、主機能部5と補助機能部9との間の通信以外に、一次側非接触給電・通信部6と二次側非接触給電・通信部10との間での情報交換を行う場合も考えられるが、このような場合は、コイル送信データバッファ76およびコイル受信データバッファ78に一次側非接触給電・通信部6と二次側非接触給電・通信部10との間での情報交換を行うデータ領域を設けるとよい。
たとえば、主機能部5と一次側通信回路7との間および補助機能部9と二次側通信回路11との間の通信速度を9600bpsとした場合、一次側通信回路7と二次側通信回路9との間の通信速度を240kbpsと25倍とすれば、一次側通信回路7と二次側通信回路11とで処理にかかるオーバヘッドの影響を少なくすることができる。
そのため、一次側信号合成・分割手段7cあるいは二次側信号合成・分割手段11cでの信号の合成、分割処理を行わず、主機能部出力信号線13を直接一次信号入力部51に接続し、補助機能部出力信号線17を二次側送信信号入力61に接続してもよい。
同様に、主機能部入力信号線14を一次側受信信号出力58に接続し、補助機能部入力線16を二次側受信信号出力68に接続してもよい。
このとき、主機能部5と一次側通信回路7との間および補助機能部9と二次側通信回路11との間の通信速度と、一次側通信回路7と二次側通信回路11との間の通信速度を同じとしてよい。
一次側非接触給電・通信部6と二次側非接触給電・通信部10とは無結線であり、上記に説明したように、コイル3を介して通信信号の伝達が行われる。
まず、通常時つまり、主機能部5から補助機能部9への主機能部シリアル通信信号SD1および補助機能部9から主機能部5への主機能部シリアル通信信号SD2がない場合について説明する。
一次側非接触給電・通信部6は、所定時間間隔で定期処理を行う。このとき、一次側非接触給電・通信部6は、主機能部5の出力する主機能部パラレル信号PD1を二次側非接触給電・通信部10に伝送する。一次側非接触給電・通信部6内の動作については前述した通りである。
また、二次側非接触給電・通信部10は、補助機能部9の出力する補助機能部パラレル通信信号PD2を一次側非接触給電・通信部6に伝送する。
ここで、二次側非接触給電・通信部6において、主機能部パラレル通信信号PD1の補助機能部9への出力と補助機能部パラレル通信信号PD2の出力あるいは伝送の順序はいずれが先あるいは同じとしてもよい。二次側非接触給電・通信部10内の動作については前述した通りである。
次に、主機能部5から補助機能部9への主機能部シリアル通信信号SD1がある場合について説明する。
一次側非接触給電・通信部6は、所定時間間隔で定期処理を行うが、定期処理よりも前に主機能部5から一次側非接触給電・通信部6に対して主機能部シリアル送信信号SD1を受信した場合、次に発生する定期処理まで主機能部シリアル送信信号SD1は保持される。
定期処理時に、一次側非接触給電・通信部6は、主機能部5の出力する主機能部パラレル信号PD1および主機能部シリアルデータSD1を二次側非接触給電・通信部10に伝送する。一次側非接触給電・通信部6内の動作については前述した通りである。
また、主機能部シリアル通信信号SD1を補助機能部9のシリアル入力線へ出力する。
また、二次側非接触給電・通信部10は、補助機能部9の出力する補助機能部パラレル通信信号PD2を一次側非接触給電・通信部6に伝送する。
ここで、二次側非接触給電・通信部6において、主機能部パラレル通信信号PD1の補助機能部9への出力と主機能部シリアル通信信号SD1の補助機能部9への出力と補助機能部パラレル通信信号PD2の出力あるいは伝送の順序はいずれが先あるいは同じとしてもよい。二次側非接触給電・通信部10内の動作については前述した通りである。
次に、補助機能部9から主機能部5への補助機能部シリアル通信信号SD2がある場合について説明する。
一次側非接触給電・通信部6は、所定時間間隔で定期処理を行うが、定期処理の応答よりも前に補助機能部9から二次側非接触給電・通信部10に対して補助機能部シリアル送信信号SD2を受信した場合、次に発生する定期処理に対する応答まで主機能部シリアル送信信号SD2は保持される。
定期処理時に、一次側非接触給電・通信部6は主機能部5の出力する主機能部パラレル信号PD1を二次側非接触給電・通信部10に伝送する。一次側非接触給電・通信部6内の動作については前述した通りである。
また、二次側非接触給電・通信部10は、補助機能部9の出力する補助機能部パラレル通信信号PD2および補助機能部9より受信した補助機能部シリアル通信信号SD2を一次側非接触給電・通信部6に伝送する。
ここで、二次側非接触給電・通信部6において、主機能部パラレル通信信号PD1の補助機能部9への出力と補助機能部パラレル通信信号PD2の出力あるいは伝送の順序はいずれが先あるいは同じとしてもよい。二次側非接触給電・通信部10内の動作については前述した通りである。
また、定期処理に関して、一次側非接触給電・通信部6を通信の主導となるマスタ側の機器とし、二次側非接触給電・通信部10をスレーブ側機器としたが、逆に二次側非接触給電・通信部10を通信の主導となるマスタ側機器としてもよい。
次に、本実施の形態8の構成による効果を説明する。
このとき、通信に用いる回路やコイルの数を増やす手段や、周波数を分けるなどの手段により複数の信号を伝達しあう手段が考えられるが、回路やコイルの数の増加や、周波数多重化による回路規模の増大などが課題となる。
これにより回路規模の増大が抑制でき、機器の小型化が実現できる。
実施の形態1〜8で説明した構成の適用例として、空気調和機の室内リモコン、空気調和機の室外機制御回路基板、家庭用電化機器における入出力装置やFA(Factory Automation)機器の入出力装置が上げられる。
Claims (30)
- 第1電子回路基板と、
第2電子回路基板と、
前記第1電子回路基板に接続された第1コイルと、
前記第2電子回路基板に接続された第2コイルと、
を備え、
前記第1コイルから前記第2コイルへ電磁誘導により電力を送電することで、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間を電気的に接続する
ことを特徴とする電子機器。 - 前記第1コイルと前記第2コイルはフレキシブル基板を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の電子機器。 - 前記第1コイルまたは前記第2コイルのコイル面の一方に磁性体を配置した
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電子機器。 - 前記第1コイルと前記第2コイルを、
前記磁性体を配設していない面で対向するように配置した
ことを特徴とする請求項3記載の電子機器。 - 前記第1コイルは、
前記第1電子回路基板から前記第2電子回路基板へ電力を送電するための第1電力用コイルと、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間で通信を行うための第1通信用コイルと、
を備え、
前記第2コイルは、
前記第1電力用コイルが送信した電力を受電するための第2電力用コイルと、
前記第1通信用コイルと通信するための第2通信用コイルと、
を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の電子機器。 - 前記第1コイルと前記第2コイルを面方向に積み重ねて配置した
ことを特徴とする請求項5記載の電子機器。 - 前記第1電力用コイルと前記第2電力用コイルを面方向に対向配置するとともに、
前記第1通信用コイルと前記第2通信用コイルを面方向に対向配置し、
前記第1電力用コイルおよび前記第2電力用コイルの組からなる第1セットと、前記第1通信用コイルおよび前記第2通信用コイルの組からなる第2セットを、
間に磁性体を介して面方向に積み重ねて配置した
ことを特徴とする請求項6記載の電子機器。 - 前記第1セットと前記第2セットの対向面の反対側に位置するコイルの外側に磁性体を配置した
ことを特徴とする請求項7記載の電子機器。 - 前記第1セットと前記第2セットの間に磁気シールド材を配置した
ことを特徴とする請求項7または請求項8記載の電子機器。 - 前記第1コイルおよび前記第2コイルは、
単一のコイルを中間タップで2つのコイルに分割することで、
前記第1電力用コイルと前記第1通信用コイル、および前記第2電力用コイルと前記第2通信用コイルを備えるように構成された
ことを特徴とする請求項5ないし請求項9のいずれかに記載の電子機器。 - 前記第1コイルまたは前記第2コイルの少なくとも一方は、
複数のコイルを直列接続して面方向に重ねることでコイル巻数を調整されてなる
ことを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の電子機器。 - 前記第1コイルまたは前記第2コイルの少なくとも一方は、
複数のコイルを並列接続して面方向に重ねることで電流容量を調整されてなる
ことを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれかに記載の電子機器。 - 第1電子回路基板と、
第2電子回路基板と、
前記第1電子回路基板に接続された第1コイルと、
前記第2電子回路基板に接続された第2コイルと、
を備え、
前記第1コイルから前記第2コイルへ電磁誘導により電力を送電することで、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間を電気的に接続し、
前記第1コイルまたは前記第2コイルの少なくとも一方は、
フレキシブル基板で構成され、
前記第1電子回路基板または前記第2電子回路基板の電子回路を実装した面と反対側の面に固定されるとともに、
前記第1電子回路基板または前記第2電子回路基板の端部で折り曲げられて前記電子回路を実装した面の側に延設された上で前記電子回路と接続されている
ことを特徴とする電子機器。 - 前記第1コイルは、
前記第1電子回路基板から前記第2電子回路基板へ電力を送電するための第1電力用コイルと、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間で通信を行うための第1通信用コイルと、
を備え、
前記第2コイルは、
前記第1電力用コイルが送信した電力を受電するための第2電力用コイルと、
前記第1通信用コイルと通信するための第2通信用コイルと、
を備えることを特徴とする請求項13記載の電子機器。 - 前記第1電力用コイルと前記第2電力用コイルを面方向に対向配置するとともに、
前記第1通信用コイルと前記第2通信用コイルを面方向に対向配置し、
前記第1電力用コイルおよび前記第2電力用コイルの組からなる第1セットと、前記第1通信用コイルおよび前記第2通信用コイルの組からなる第2セットを、
間に磁性体を介して面方向に積み重ねて配置した
ことを特徴とする請求項14記載の電子機器。 - 前記第1セットと前記第2セットの対向面の反対側に位置するコイルの外側に磁性体を配置した
ことを特徴とする請求項15記載の電子機器。 - 前記第1セットと前記第2セットの間に磁気シールド材を配置した
ことを特徴とする請求項15または請求項16記載の電子機器。 - 前記第1コイルと前記第2コイルは、シリアルデータを互いに送受信する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項17のいずれかに記載の電子機器。 - 前記第1コイルまたは前記第2コイルが送信するデータを前記シリアルデータと合成して単一の送信データとするデータ合成手段を備え、
前記第1コイルまたは前記第2コイルは、
前記データ合成手段が合成した前記送信データを送信する
ことを特徴とする請求項18記載の電子機器。 - 前記第1コイルまたは前記第2コイルが受信した前記送信データを前記データ合成手段が合成する前の各データに分割するデータ分割手段を備えた
ことを特徴とする請求項19記載の電子機器。 - 前記第1電子回路基板および前記第2電子回路基板上に実装されている電子部品が用いる通信信号速度よりも、
前記第1コイルと前記第2コイルの間の通信信号速度を速くした
ことを特徴とする請求項1ないし請求項20のいずれかに記載の電子機器。 - 前記第1コイルと前記第2コイルは巻き線仕様が異なる
ことを特徴とする請求項1ないし請求項21のいずれかに記載の電子機器。 - 前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板は、互いに着脱自在に構成されている
ことを特徴とする請求項1ないし請求項22のいずれかに記載の電子機器。 - 第1電子回路基板と、
第2電子回路基板と、
前記第1電子回路基板に接続された第1コイルと、
前記第2電子回路基板に接続された第2コイルと、
を備えた電子機器の電子回路基板を接続する方法であって、
前記第1コイルから前記第2コイルへ電磁誘導により電力を送電することで、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間を電気的に接続する
ことを特徴とする電子回路基板の接続方法。 - 前記第1コイルと前記第2コイルを、フレキシブル基板を用いて構成した
ことを特徴とする請求項24記載の電子回路基板の接続方法。 - 第1電子回路基板と、
第2電子回路基板と、
前記第1電子回路基板に接続された第1コイルと、
前記第2電子回路基板に接続された第2コイルと、
を備えた電子機器の電子回路基板を接続する方法であって、
前記第1コイルから前記第2コイルへ電磁誘導により電力を送電することで、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間を電気的に接続し、
前記第1コイルまたは前記第2コイルの少なくとも一方を、
フレキシブル基板で構成し、
前記第1電子回路基板または前記第2電子回路基板の電子回路を実装した面と反対側の面に固定するとともに、
前記第1電子回路基板または前記第2電子回路基板の端部で折り曲げて前記電子回路を実装した面の側に延設した上で前記電子回路と接続する
ことを特徴とする電子回路基板の接続方法。 - 前記第1コイルを、
前記第1電子回路基板から前記第2電子回路基板へ電力を送電するための第1電力用コイルと、
前記第1電子回路基板と前記第2電子回路基板の間で通信を行うための第1通信用コイルと、
で構成するとともに、
前記第2コイルを、
前記第1電力用コイルが送信した電力を受電するための第2電力用コイルと、
前記第1通信用コイルと通信するための第2通信用コイルと、
で構成したことを特徴とする請求項26記載の電子回路基板の接続方法。 - 前記第1電力用コイルと前記第2電力用コイルを面方向に対向配置するとともに、
前記第1通信用コイルと前記第2通信用コイルを面方向に対向配置し、
前記第1電力用コイルおよび前記第2電力用コイルの組からなる第1セットと、前記第1通信用コイルおよび前記第2通信用コイルの組からなる第2セットを、
間に磁性体を介して面方向に積み重ねて配置した
ことを特徴とする請求項27記載の電子回路基板の接続方法。 - 前記第1セットと前記第2セットの対向面の反対側に位置するコイルの外側に磁性体を配置した
ことを特徴とする請求項28記載の電子回路基板の接続方法。 - 前記第1セットと前記第2セットの間に磁気シールド材を配置した
ことを特徴とする請求項28または請求項29記載の電子回路基板の接続方法。
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