电容模块、谐振器和无线供电、受电装置及电力传输系统的制作方法

本发明涉及电容模块、具有该电容模块的谐振器、以及包括该谐振器的无线供电装置、无线受电装置和无线电力传输系统。

背景技术：

近年来，使用磁共振方式进行无线电力传输的无线电力传输技术备受关注。例如，在对搭载于电动汽车等电动车辆的蓄电池(二次电池)进行充电时，通过使用该无线电力传输技术，可以不进行与充电电缆的连接而以无线方式供给(非接触供电或非接触充电)来自外部的电力。

另外，在无线电力传输技术中，利用两个谐振器之间的共振(共振)现象的磁共振方式的研究较为活跃(例如参照下述专利文献1、2)。磁共振方式中，在供电侧及受电侧的谐振器中使用包含线圈和电容器(电容)的共振电路。磁共振方式具有如下结构：使这两个谐振器间的共振频率接近(也包含一致的情况。)，将该共振频率附近的高频电流及电压施加给供电(一次)侧的谐振器，向电磁共振的受电(二次)侧的谐振器无线传输电力。

在该磁共振方式中，与将供电侧线圈和受电侧线圈使用电磁感应的原理电磁结合的电磁感应方式相比，具有可以增大供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离的优点。另外，在磁共振方式中，能够在数cm～数十cm左右的距离内无线传输数kw以上的电力，因此，正在摸索对各种系统的应用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-5790号公报

专利文献2：日本特开2017-51084号公报

专利文献3：日本特开2016-18802号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

但是，在对上述的电动汽车进行无线电力传输的情况下，对供电侧及受电侧的谐振器施加大容量的高频电流电压。为了应对该情况，对于上述的构成谐振器的电容器，使用在印刷布线基板的主面上呈矩阵状排列安装多个片状电容器(电容元件)而得到的电容模块(例如参照上述专利文献3)。

另外，在电容模块中，通过将设置在各片状电容器的两端的一对端子电极与设置在印刷布线基板上的一对焊盘电极焊料接合，成为将各片状电容器安装在印刷布线基板上的构造。

但是，在上述专利文献3所记载的电容模块中，对于呈矩阵状地排列在基板上的多个片状电容器，没有考虑使它们均等地流通高频电流(数十khz左右)。因此，在没有均等地流通高频电流的情况下，在一部分片状电容器中引起电流集中，使该片状电容器发热而可能导致损坏。

本发明的一方面是鉴于这种现有情况而提出的，其目的之一在于，提供向安装在基板上的多个电容元件均等地流通电流的电容模块、具有该电容模块的谐振器、以及包括该谐振器的无线供电装置、无线受电装置和无线电力传输系统。

用于解决问题的技术方案

本发明一方面提供一种电容模块，其特征在于，包括：基板，其具有在厚度方向上彼此相对的第一主面和第二主面；和电容元件组，其安装于所述基板的至少所述第一主面上，包含多个电容元件，所述电容元件组具有以下结构，即：具有由排列在第一方向上的多个电容元件相互串联连接而成的多个电容元件排，且排列在第二方向上的所述多个电容元件排相互并联连接，其中，所述第一方向和所述第二方向在所述基板的面内彼此交叉，所述基板包括：第一布线，其将构成所述电容元件排的多个电容元件中的在所述第一方向上相邻的各电容元件之间电连接；第二布线，其将位于所述多个电容元件排的所述第一方向上的一端侧的各电容元件之间在所述第二方向上电连接；第三布线，其将位于所述多个电容元件排的所述第一方向上的另一端侧的各电容元件之间在所述第二方向上电连接；第一连接端子，其与所述第二布线的所述第二方向上的一端侧电连接；和第二连接端子，其与所述第三布线的所述第二方向上的另一端侧电连接。

发明效果

如上所述，根据本发明的一方面，可以提供能够向安装在基板上的多个电容元件均等地流通电流的电容模块、具有该电容模块的谐振器、以及包括该谐振器的无线供电装置、无线受电装置和无线电力传输系统。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的无线电力传输系统的一例的结构图。

图2是表示图1所示的无线电力传输系统的供电侧谐振器及受电侧谐振器的结构的电路图。

图3是表示应用了本发明的电容模块的结构的俯视图。

图4是放大了图3所示的电容模块的主要部分的俯视图。

图5是图4中所示的线段a－a的电容模块的剖视图。

图6是表示应用了本发明的电容模块的其它结构例的俯视图。

图7是表示应用了本发明的电容模块的其它结构例的俯视图。

图8是表示应用了本发明的电容模块的其它结构例的俯视图。

图9是表示贯通孔的变形例的俯视图。

图10是表示在应用了本发明的电容模块中具备多个电容元件组的结构的俯视图。

符号说明

1…电容模块，2…基板，2a…第一主面，2b…第二主面，30…电容元件组，3a…电容元件排，3…电容元件，4a…第一布线，4b…第二布线，4c…第三布线，4d…第一延长布线，4e…第二延长布线，5a…第一焊盘电极，5b…第二焊盘电极，6a…第一端子电极，6b…第二端子电极，7a…第一焊接部，7b…第二焊接部，8、8a～8d…贯通孔，10a…第一连接端子，10b…第二连接端子，11a、11b…焊垫部，100…无线电力传输系统，200…无线供电装置，201…电源电路，202…驱动电路，203…供电侧谐振器，300…无线受电装置，301…受电侧谐振器，302…负载，303…整流电路，l1…供电侧线圈，l2…受电侧线圈，c1…供电侧电容器，c2…受电侧电容器，ev…电动汽车。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

此外，以下的说明中使用的附图有时为了容易了解特征而适当地将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比例等不限于与实际的相同。另外，以下的说明中示例的材料或尺寸等是一例，本发明并不限定于此，可以在不变更其宗旨的范围内适当变更实施。

(无线电力传输系统)

首先，作为本发明的一实施方式，对例如图1和图2所示的无线电力传输系统100进行说明。此外，图1是表示无线电力传输系统100的一例的结构图。图2是表示无线电力传输系统100的供电侧谐振器203和受电侧谐振器301的结构的电路图。

本实施方式的无线电力传输系统100，如图1及图2所示，是对搭载于电动汽车ev的蓄电池(二次电池)进行非接触充电的非接触充电系统应用了本发明而得到的。此外，电动汽车ev是利用蓄电池中充入的电力来驱动电动机而行驶的电动车辆(移动体)。

具体而言，本实施方式的无线电力传输系统100使用磁共振方式进行无线电力传输，具有设置于充电设备侧的地面g的无线供电装置(下称“供电装置”)200和搭载于电动汽车ev的无线受电装置(下称“受电装置”)300而构成。

供电装置200大致包括电源电路201、驱动电路202和供电侧谐振器203。受电装置300大致包括受电侧谐振器301和负载302。另外，负载302由整流电路303和可变负载vload构成。

电源电路201与外部的商用电源p电连接，作为将从商用电源p输入的交流电力转换为所希望的直流电力的ac/dc电源起作用。电源电路201与驱动电路202电连接。电源电路201将转换后的直流电力向驱动电路202供给。

此外，关于电源电路201，只要对驱动电路202输出直流电力即可，其结构没有特别限制。例如，作为电源电路201，可举出组合了将交流电力整流后转换成直流电力的整流电路和进行功率因素改善的pfc

(powerfactorcorrection，功率因数补偿)电路的电源电路，或组合了相同整流电路和开关转换器等开关电路的电源电路等。

驱动电路202将从电源电路201供给的直流电力转换为高频电力。作为驱动电路202，例如可举出将多个开关元件电桥连接的开关电路等。驱动电路202与供电侧谐振器203电连接。驱动电路202将基于供电侧谐振器203的共振频率进行了驱动频率的控制后的高频电力向供电侧谐振器203供给。

供电侧谐振器203构成包含供电侧线圈l1和供电侧电容器c1的lc共振电路。通过使该供电侧谐振器203侧的共振频率接近受电侧谐振器301侧的共振频率(也包含一致的情况)，可以进行磁共振方式的无线电力传输。

本实施方式的供电侧谐振器203为将电抗器ls串联插入供电侧电容器c1的结构。该结构的情况下，容易将由供电侧谐振器203、受电侧谐振器301及负载302构成的无线电力传输网的阻抗的虚部控制为正。另外，电抗器ls相对于比供电侧谐振器203侧的共振频率充分高的频率成分为高阻抗。由此，实现将除去了高频成分的电力向供电侧线圈l1供给的作为滤波器的作用。

供电侧线圈l1利用由例如铜或铝等构成的绞合线呈螺旋状卷绕的无线电力传输用线圈构成。本实施方式的供电侧线圈l1以与电动汽车ev的下表面相对的方式设置于地面g上或埋设于地面g中。此外，在本实施方式中，为将供电侧线圈l1(供电侧谐振器203)与电源电路201一同设置于地面g上的结构。

供电侧电容器c1具有调整驱动频率及负载302的两端电压的功能。本实施方式的供电侧电容器c1由与供电侧线圈l1串联连接的第一电容器c11和与供电侧线圈l1并联连接的第二电容器c12构成，但并不限定于这种结构。例如，也可以为仅由与供电侧线圈l1串联连接的第一电容器c11构成的结构。

受电侧谐振器301构成包含受电侧线圈l2和受电侧电容器c2的lc共振电路。通过使该受电侧谐振器301侧的共振频率与供电侧谐振器203侧的共振频率接近(也包含一致的情况)，可以进行磁共振方式的无线电力传输。

本实施方式的受电侧谐振器301为将电抗器lr串联插入受电侧电容器c2的结构。在该结构的情况下，电抗器lr相对于比受电侧谐振器301侧的共振频率充分高的频率成分为高阻抗。由此，实现将除去了高频成分的电力向负载302供给的作为滤波器的作用。

受电侧线圈l2利用由例如铜或铝等构成的绞合线呈螺旋状卷绕的无线电力传输用线圈构成。本实施方式的受电侧线圈l2以与设置于上述的地面g上或埋设于地面g中的供电侧线圈l1相对的方式设置于电动汽车ev的下表面。

受电侧电容器c2具有调整驱动频率及负载302的两端电压的功能。本实施方式的受电侧电容器c2由与受电侧线圈l2串联连接的第三电容器c21和与受电侧线圈l2并联连接的第四电容器c22构成，但并不限定于这种结构。例如，也可以为仅由与受电侧线圈l2串联连接的第三电容器c21构成的结构。

整流电路303与受电侧谐振器301电连接，将受电侧线圈l2接收的高频电力整流后转换为直流电力。作为整流电路303，例如可举出由1个开关元件或二极管和平滑电容器构成的半波整流电路、或由电桥连接的4个开关元件或二极管和平滑电容器构成的全波整流电路等。整流电路303与可变负载vload电连接。整流电路303将转换后的直流电力向可变负载vload供给。此外，在受电装置300中，也可以为在整流电路303与可变负载vload之间设置充电器的结构。

可变负载vload连接于整流电路303的输出端子之间，储存或消耗从该整流电路303供给的直流电力。作为可变负载vload，可举出搭载于上述的电动汽车ev的蓄电池或电动机等。

可变负载vload可以看作是通过电力的需要状态(贮存状态或消耗状态)使负载302的等效电阻值与时间一同改变的电阻负载。此外，整流电路303的消耗电力与可变负载vload的消耗电力相比非常小，因此，负载302的等效电阻值也可以大致看作是可变负载vload的等效电阻值。

在具有如上的结构的本实施方式的电力传输系统100中，通过利用了供电侧谐振器203和受电侧谐振器301之间的共振(共振)现象的磁共振方式，可以从供电装置200向受电装置300以无线传输电力。即，在该磁共振方式中，可以使这两个谐振器203、301间的共振频率接近(也包含一致的情况)，将该共振频率附近的高频电流电压向供电侧谐振器203施加，向电磁共振(共振)的受电侧谐振器301无线传输(供给)电力。

因此，在本实施方式的电力传输系统100中，可以不进行与充电电缆的连接而向电动汽车ev无线传输从充电设备侧供给的电力，同时对搭载于该电动汽车ev的蓄电池进行非接触充电。

(电容模块)

接着，作为应用了本发明的电容模块，例如对图3～图6所示的电容模块1进行说明。

此外，图3是表示电容模块1的结构的俯视图。图4是放大了电容模块1的主要部分的俯视图。图5是图4中所示的线段a－a的电容模块1的剖视图。

另外，在以下所示的附图中，设定xyz直角坐标系，将x轴方向设为电容模块1的水平面内的第一方向，将y轴方向设为电容模块1的水平面内的第二方向，将z轴方向设为电容模块1的厚度方向来分别进行表示。

如图3～图5所示，本实施方式的电容模块1包括：具有在厚度方向上彼此相对的第一主面2a和第二主面2b的基板2；呈矩阵状排列安装在该基板2的至少第一主面2a(本实施方式中为两主面2a、2b)上的包含多个电容元件3的电容元件组30。

另外，本实施方式的电容模块1具有在第一主面2a上和第二主面2b上的俯视时重叠的位置分别安装有多个电容元件3的构造。即，该电容模块1在基板2的第一主面2a侧和第二主面2b侧具有基本上相同(夹着基板2相对称)的安装构造。

因此，在本实施方式中，对于基板2的第一主面(上表面)2a侧的安装构造进行说明，如果没有特别要求，则对于基板2的第二主面(下表面)2b侧的安装构造省略其说明。

电容元件组30具有以下结构，即：具有由排列在第一方向(x轴方向)上的多个电容元件3相互串联连接而成的多个电容元件排3a，且排列在第二方向(y轴方向)上的多个电容元件排3a相互并联连接，其中，第一方向和第二方向在基板2的面内彼此交叉。

基板2作为整体由在形成为大致矩形平板状的绝缘基板的两面设置有多个布线图案的双面印刷布线板构成。具体而言，该基板2具有将构成电容元件排3a的多个电容元件3中的在第一方向上相邻的各电容元件3之间电连接的第一布线4a、将位于多个电容元件排3a的第一方向上的一端侧的各电容元件3之间在第二方向上电连接的第二布线4b、将位于多个电容元件排3a的第一方向上的另一端侧的各电容元件3之间在第二方向上电连接的第三布线4c。

另外，在基板2的与各电容元件3对应的位置分别设置有第一焊盘电极5a及第二焊盘电极5b。第一焊盘电极5a及第二焊盘电极5b由将被称作焊垫的各布线4a～4c的一部分构图为矩形状而得的部分构成。第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b相互具有同一形状且在第一方向上排列设置。

电容元件3由俯视时形成为大致矩形状的层叠陶瓷片状电容器构成。电容元件3具有在其长边方向(第一方向)的一端侧沿着短边方向(第二方向)的端缘部设置的第一端子电极6a和在长边方向(第一方向)的另一端侧沿着短边方向(第二方向)的端缘部设置的第二端子电极6b。

构成电容元件组30的各电容元件3经由将第一端子电极6a与第一焊盘电极5a焊料接合的第一焊接部7a和将第二端子电极6b与第二焊盘电极5b焊料接合的第二焊接部7b安装于基板2上。由此，各电容元件3以横跨第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b之间的方式安装于基板2上。

另外，本实施方式的电容模块1具有与第二布线4b的第二方向上的一端侧电连接的第一连接端子10a和与第三布线4c的第二方向上的另一端侧电连接的第二连接端子10b。

第一连接端子10a及第二连接端子10b为该电容模块1的外部连接用端子，设置于从第二布线4b的第二方向上的一端侧及第三布线4c的第二方向上的另一端侧朝向第一方向上的外侧呈矩形状伸出的焊垫部11a、11b上。由此，第一连接端子10a和第二连接端子10b设置在基板2的面内的隔着电容元件组30相对称(本实施方式中为对角)的位置。

该情况下，可以将第一连接端子10a和第二连接端子10b中从一连接端子(本实施方式中为第一连接端子10a)至另一连接端子(本实施方式中为第二连接端子10b)的电流路径设为在构成电容元件组30的各电容元件排3a之间相等。

即，从第一连接端子10a输入的电流经由第二布线4b从构成电容元件组30的各电容元件排3a的一端侧到达另一端侧，且经由第三布线4c输入到第二连接端子10b。

此时，构成电容元件组30的电容元件排3a中，位于第二方向上的另一端侧的电容元件排3a中流通的电流i1、位于第二方向上的中央侧的电容元件排3a中流通的电流i2、位于第二方向上的一端侧的电容元件排3a中流通的电流i3在第一连接端子10a和第二连接端子10b之间，电流路径的长度相等。

由此，在本实施方式的电容模块1中，能够使安装于基板2上的多个电容元件3中大致均等地流通电流i1、i2、i3。因此，在本实施方式的电容模块1中，能够避免电流集中在一部分电容元件3而使其损坏的可能性，并且能够抑制各电容元件3的发热。

另外，本实施方式的电容模块1为在上述的第一主面2a上及第二主面2b上的俯视时重叠的位置分别安装有多个电容元件3的构造。该情况下，能够在基板2的两主面2a、2b上抑制各电容元件3的发热，并且实现该电容模块1的小型化及集成化。

另外，在本实施方式的电容模块1中，在上述的基板2的面内的隔着电容元件组30成对角的位置设置有第一连接端子10a及第二连接端子10b。该情况下，能够将第二布线4b的第二方向上的一端侧与第一连接端子10a电连接的电流路径的长度和将第三布线4c的第二方向上的另一端侧与第二连接端子10b电连接的电流路径的长度最短化。由此，能够将布线图案带来的损失最小化。

此外，本实施方式的电容模块1并不限定于在上述的隔着电容元件组30成对角的位置设置第一连接端子10a及第二连接端子10b的结构。

例如，如图6所示，也可以设为经由从第二布线4b的第二方向上的一端侧朝向第二方向上的另一端侧延长的第一延长布线4d将第二布线4b的第二方向上的一端侧和第一连接端子10a电连接的结构。在图6所示的结构中，可以将第一连接端子10a的位置从电容元件组3的对角位置利用第一延长布线4d引到第二方向上的中央附近。

进而，如图7所示，也可以设为经由从第三布线4c的第二方向上的另一端侧朝向第二方向上的一端侧延长的第二延长布线4e将第三布线4c的第二方向上的另一端侧和第二连接端子10b电连接的结构。在图7所示的结构中，可以将第二连接端子10b的位置从电容元件组30的对角位置利用第二延长布线4e引到第二方向上的中央附近。

无论何种情况下，都能够不取决于第一延长布线4d或第二延长布线4e延长的长度而在构成电容元件组30的各电容元件排3a之间使从第一连接端子10a至第二连接端子10b的电流路径的长度相等。因此，能够抑制各电容元件3的发热，并且能够提高第一连接端子10a及第二连接端子10b的配置的设计自由度。

另外，例如，如图8所示，本实施方式的电容模块1也可以为在与多个电容元件3各自对应的位置设置有在厚度方向(z轴方向)贯通基板2的多个贯通孔8的结构。

贯通孔8俯视为圆形，被设置于第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b之间(本实施方式中为中间)。此外，在图6及图7所示的结构中也系统，也可以设为设置有这种贯通孔8的结构。

在本实施方式的电容模块1中，通过设置这样的贯通孔8，能够降低第一及第二焊接部7a、7b上产生的蠕变变形。由此，能够在抑制在第一及第二焊接部7a、7b上产生焊锡裂纹的同时，提高该第一及第二焊接部7a、7b的断线寿命。

此外，在本实施方式的电容模块1中，从对基板2的加工容易度的观点出发，形成有俯视为圆形状的贯通孔8，但不限于这种贯通孔8的形状，例如也可以形成俯视为椭圆状或长孔状、异形状等的贯通孔8。另外，也可以在第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b之间形成多个贯通孔8。

具体而言，作为贯通孔8的变形例，可以示例图9(a)、(b)所示的结构。其中，在图9(a)所示的结构中，在第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b之间沿第二方向排列设置有三个贯通孔8a、8b、8c。另一方面，在图9(b)所示的结构中，在第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b之间沿第二方向延长地设置有长孔状的贯通孔8d。

另外，在图9(a)、(b)所示的结构中，均在俯视与区划第一焊盘电极5a和第二焊盘电极5b之间的区域e和该区域e的外侧的边界的一对边界线s1、s2(同样为电容元件3的轮廓)重叠的位置设置有贯通孔8a、8c及贯通孔8d。在该结构的情况下，蠕变变形在一对边界线s1、s2上存在显示最大值的点，裂纹以该点为起点行进。因此，通过在一对边界线s1、s2上设置贯通孔8a、8c及贯通孔8d，能够降低第一及第二焊接部7a、7b上产生的蠕变变形，能够抑制裂纹的产生。

本实施方式的电容模块1可以作为构成上述的供电侧谐振器203及受电侧谐振器301的供电侧电容器c1及受电侧电容器c2来适当使用。即，本实施方式的电容模块1可以构成与施加大容量的高频电流电压的供电侧谐振器203及受电侧谐振器301对应的供电侧电容器c1及受电侧电容器c2。

因此，在本实施方式的无线电力传输系统100中，可以在包含这种供电侧谐振器203的供电装置200和包含这种受电侧谐振器301的受电装置300之间使用磁共振方式稳定地进行无线电力传输。

此外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可加入各种变更。

例如，在上述实施方式中，为在基板2的两主面2a、2b上具备一个电容元件组30的结构，但例如如图10所示，也可以设为具备多个电容元件组30的结构。由此，通过电容模块1的集成化，即使在安装于基板2上的电容元件3的数量增加的情况下，也能够按每一电容元件组30相对于多个电容元件3均等地流通电流，能够抑制各电容元件3的发热。

此外，在上述实施方式中，示例了将本发明应用于对搭载于电动汽车ev的蓄电池进行非接触充电的非接触充电系统的情况，但除电动汽车ev以外，也可以对例如插电式混合动力汽车(phev)等电动车辆(移动体)广泛地应用本发明。

另外，对于应用本发明的电力传输系统，并不限定于这种非接触充电系统。除此之外，例如对于对置于桌子上的平板终端或个人计算机(pc)等便携式电子设备等进行非接触充电的非接触充电系统、对行驶的电动车辆进行非接触供电的非接触供电系统等也可以大幅应用本发明。