特開 2024-86301 コイル基板及び誘導加熱調理器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024086301

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】コイル基板及び誘導加熱調理器

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/12 20060101AFI20240620BHJP

【ＦＩ】

H05B6/12 308

H05B6/12 303

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201364

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(74)【代理人】

【識別番号】100227673

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 光起

(72)【発明者】

【氏名】錦織 信晴

【テーマコード（参考）】

3K151

【Ｆターム（参考）】

3K151BA03

3K151BA14

3K151BA17

(57)【要約】

【課題】コイル損失を低減しつつ、層間接続数を減らすことができる。
【解決手段】複数のコイルパターンが形成された６以上のパターン層を積層してなるコイル基板であって、４以上のコイルパターンを直列接続した直列パターン群を複数有するとともに、それら複数の直列パターン群が並列接続されており、少なくとも１つの直列パターン群は、４以上のパターン層に形成されたコイルパターンを直列接続したものであり、複数の直列パターン群は、並列接続されるコイルパターンが形成されたパターン層の組み合わせが異なるものを含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コイルパターンが形成された６層以上のパターン層を積層してなるコイル基板であって、
前記コイルパターンを直列接続した直列パターン群を複数有するとともに、それら複数の直列パターン群が並列接続されており、
少なくとも１つの前記直列パターン群は、４層以上の前記パターン層に形成された前記コイルパターンを直列接続したものであり、
前記複数の直列パターン群は、並列接続される前記コイルパターンが形成された前記パターン層の組み合わせが異なるものを含む、コイル基板。

【請求項2】

４層以上の前記パターン層に形成された前記コイルパターンを直列接続した前記直列パターン群は、並列接続される前記コイルパターンが形成された前記パターン層の組み合わせが同じである、請求項１に記載のコイル基板。

【請求項3】

前記直列パターン群において最上層に形成された前記コイルパターンは、最下層以外のパターン層に形成された前記コイルパターンに直列接続される、請求項１に記載のコイル基板。

【請求項4】

前記複数の直列パターン群それぞれを構成する前記コイルパターンの合計長さのばらつきが１０％以下である、請求項１に記載のコイル基板。

【請求項5】

前記複数の直列パターン群を並列接続した両端子は、前記コイルパターンの外周部に形成されており、
前記パターン層の間の電気的な接続は、全パターン層を貫通して形成された導電体により形成される、請求項１に記載のコイル基板。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れか一項に記載のコイル基板を用いた誘導加熱調理器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コイル基板及び誘導加熱調理器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、誘導加熱調理器の薄型化や軽量化が望まれており、誘導加熱調理器に用いられる加熱コイルの薄型化が考えられている。

【0003】

そして、加熱コイルの薄型化を実現するためには、特許文献１、２に示すような非接触給電で用いられるプリント基板（ＰＣＢ基板）タイプのコイル基板を用いることが考えられる。

【0004】

しかしながら、特許文献１、２に示すコイル基板は、コイルパターンを２層形成したものであり、この２層構成のコイル基板を用いて誘導加熱調理器の大火力（最大３ｋＷ超）を供給するには、１層の銅厚（コイルの厚み）を５００μｍ程度にする必要がある。そうすると、表皮効果の影響が大きくなり、コイル損失が大きくなってしまう。

【0005】

ここで、表皮効果を低減しつつ大火力を供給するためには、銅厚とコイルパターン幅を小さくし、複数のコイルパターンを並列接続することで電流容量を確保することが考えられる。

【0006】

ところが、特許文献１、２の構成を用いて複数のコイルパターンを並列接続するためには、層間接続数が増加してしまい、また、配線長によるコイル損失も増大してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１９－１８６２３５号公報

【特許文献2】特開２０１９－４１２７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そこで、本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、コイル損失を低減しつつ、層間接続数を減らすことを主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

すなわち本発明に係るコイル基板は、コイルパターンが形成された６層以上のパターン層を積層してなるコイル基板であって、前記コイルパターンを直列接続した直列パターン群を複数有するとともに、それら複数の直列パターン群が並列接続されており、少なくとも１つの前記直列パターン群は、４層以上の前記パターン層に形成された前記コイルパターンを直列接続したものであり、前記複数の直列パターン群は、並列接続される前記コイルパターンが形成された前記パターン層の組み合わせが異なるものを含むことを特徴とする。

【0010】

このように構成されたコイル基板によれば、６層以上の積層基板から構成しているので、１層の銅厚を薄くすることができ、表皮効果の影響を小さくしてコイル損失を低減することができる。また、複数の直列パターン群は、４層以上のパターン層に形成されたコイルパターンを直列接続したものを有し、かつ、並列接続されるコイルパターンが形成されたパターン層の組み合わせが異なるものを含んでいるので、層間接続数を減らすことができ、これによっても、損失を低減することができる。

【0011】

層間接続数を減らすための具体的な実施の態様としては、４以上の前記パターン層に形成された前記コイルパターンを直列接続した前記直列パターン群は、並列接続される前記コイルパターンが形成された前記パターン層の組み合わせが同じであることが望ましい。

【0012】

並列接続された直列パターン群の近接効果によるインピーダンスのばらつきを低減するためには、前記直列パターン群において最上層に形成された前記コイルパターンは、最下層以外のパターン層に形成された前記コイルパターンに直列接続されることが望ましい。

【0013】

直列接続されたコイルパターンの合計長さのばらつきが大きいほど、並列接続された複数の直列パターン群における電流のばらつきが大きくなり損失が大きくなる。この問題を好適に解決するためには、前記複数の直列パターン群それぞれを構成する前記コイルパターンの合計長さのばらつきが１０％以下であることが望ましい。ここで、コイルパターンの合計長さのばらつきを１０％以下にしているので、ｋＨｚオーダー以上の交流電流で電流のバランスを取ることができる。

【0014】

コイル基板の製造コストを削減するためには、前記複数の直列パターン群を並列接続した両端子は、前記コイルパターンの外周部に形成されており、前記パターン層の間の電気的な接続は、全パターン層を貫通して形成された導電体により形成されることが望ましい。

【0015】

また、上述したコイル基板を用いた誘導加熱調理器も本発明の一態様である。

【発明の効果】

【0016】

このように構成した本発明によれば、コイル損失を低減しつつ、層間接続数を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係る誘導加熱調理器の構成を示す模式図である。

【図2】同実施形態におけるコイル基板（１６層）の構成を模式的に示す平面図である。

【図3】同実施形態におけるコイル基板（１６層）の構成を模式的に示す断面図である。

【図4】同実施形態におけるコイル基板（６層構成）の第１層目及び第２層目のコイルパターンを模式的に示す平面図である。

【図5】同実施形態におけるコイル基板（６層構成）の配線を示す模式図である。

【図6】同実施形態におけるコイル基板（６層構成）の配線の変形例を示す模式図である。

【図7】同実施形態におけるコイル基板（１２層構成）の配線を示す模式図である。

【図8】同実施形態におけるコイル基板（１２層構成）の配線の変形例を示す模式図である。

【図9】同実施形態におけるコイル基板（１２層構成）の各配線におけるコイル損失を示す実験結果である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係る誘導加熱調理器の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

【0019】

＜誘導加熱調理器の構成＞
本実施形態に係る誘導加熱調理器は、トッププレートに載置された調理用鍋などの調理器具たる被加熱物を誘導加熱するものであり、被加熱物をトッププレートのどこにでも自由に置いて加熱できるように構成されている。

【0020】

具体的に誘導加熱調理器１００は、図１に示すように、被加熱物が載置されるトッププレート１と、被加熱物を加熱するための複数の加熱コイル２と、加熱コイル２に交流電流を供給するインバータ回路３と、インバータ回路３を制御する制御機器４とを備えている。なお、誘導加熱調理器１００には、図示しないが、被加熱物の位置を検出するためのセンサコイルが設けられている。

【0021】

トッププレート１は、表側に被加熱物が置かれる平坦な載置面を有するものであり、例えばガラスやセラミックなどの電気絶縁材料からなる平板状のものである。

【0022】

加熱コイル２は、トッププレート１の裏側に設けられており、ここでは図１に示すように、複数の加熱コイル２が、平面視において二次元アレイ状（縦横マトリクス状）をなすように配置されている。

【0023】

各加熱コイル２は、基板に設けられたシート状をなすものであり、具体的にはフォトレジスト等により作成されたプリント基板（コイル基板２０）として形成されたものである。ここでは、複数の加熱コイル２それぞれが、同じ形状及び大きさのものであるが、形状及び大きさは適宜変更して構わない。なお、コイル基板２０の具体的構成は後述する。

【0024】

インバータ回路４は、電源から供給される交流電圧を任意の駆動周波数に変換して加熱コイル２に出力するものである。ここでのインバータ回路４は、スイッチング素子を用いたハーフブリッジ方式のものであるが、フルブリッジ方式のものを用いても構わない。

【0025】

制御機器４は、物理的にはＣＰＵ、メモリ、入力手段などを備えるものであり、機能的には、前記メモリの記憶されたプログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器が協働することにより、インバータ回路４を制御する。

【0026】

本実施形態の制御機器４は、トッププレート１に載置された被加熱物の下方又はその近傍に位置する加熱コイル２にのみ選択的に通電できるように構成されている。なお、トッププレートに載置された被加熱物の位置は、トッププレート１の裏側に設けられた、例えば誘導近接コイル等の位置センサにより検出される。また、インバータ回路３において各加熱コイル２に対応して設けられた電流センサ（不図示）の検出値に基づいて、各コイル２に供給する電力を制御する。

【0027】

＜コイル基板２０の具体的構成１＞
そして、本実施形態のコイル基板２０は、図２及び図３に示すように、コイルパターンＣＰが形成された６層以上のパターン層ＰＬを積層してなるプリント基板である。なお、パターン層ＰＬの間には絶縁材が設けられている。なお、図２及び図３では、１６層のパターン層を積層してなるコイル基板２０を模式的に示している。

【0028】

このコイル基板２０においては、各パターン層において１つのコイルパターンＣＰが形成されている。コイルパターンＣＰは、スパイラル状のものである。なお、コイルパターンＣＰとしては、図２に示すように、平面視概略矩形状をなす複数のコイル要素からなるもののほか、平面視円形状をなす複数のコイル要素からなるものであっても良いし、コイル要素の形状は、これらに限定されない。

【0029】

そして、コイル基板２０は、４つのコイルパターンＣＰを直列接続した４つの直列パターン群２１～２４を有するとともに、それら４つの直列パターン群２１～２４が並列接続されている。ここで、複数の直列パターン群２１～２４それぞれを構成するコイルパターンＣＰの合計長さのばらつきは１０％以下とすることが望ましい。

【0030】

より詳細には、４つの直列パターン群２１～２４は、第１層、第８層、第９層及び第１６層に形成されたコイルパターンを直列接続したもの（直列パターン群２１）と、第２層、第７層、第１０層及び第１５層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したもの（直列パターン群２２）と、第３層、第６層、第１１層及び第１４層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したもの（直列パターン群２３）と、第４層、第５層、第１２層及び第１３層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したもの（直列パターン群２４）である。

【0031】

このように図２及ぶ図３に示す直列パターン群２１～２４は、直列接続されるコイルパターンＣＰが形成されたパターン層の組み合わせが互いに異なるように構成されている。この構成により、４つの直列パターン群２１～２４を並列接続した場合に、互いに異なるパターン層に形成されたコイルパターンＣＰを並列接続した構成となる。

【0032】

さらに、図２に示すように、コイル基板２０において、複数の直列パターン群２１～２４を並列接続した両端子（入力端子２ａ、出力端子２ｂ）は、コイルパターンＣＰの外周部に形成されている。そして、図３に示すように、パターン層ＰＬの間の電気的な接続は、全パターン層を貫通して形成された導電体（スルーホールＴＨ）により形成される。ここでは、コイルパターンＣＰの外周部に設けられた導電体からなる１つの中間端子２ｃと、コイルパターンＣＰの内周部に設けられた導電体からなる複数の接続端子２ｄとにより、各直列パターン群２１～２４となるように接続されている。

【0033】

その上、このコイル基板２０の例では、入力端子２ａ側を最上層、出力端子２ｂ側が最下層となるように接続されている。この構成であれば、多層構成時において、上部に弱電のセンサを実装する場合に薄膜構成にしやすくなる。

【0034】

＜コイル基板２０の具体的構成２＞
次にコイル基板２０の具体的構成２について図４～図６を参照して説明する。

【0035】

図４～６に示すコイル基板２０は、６層のパターン層を積層してなるプリント基板である。このコイル基板２０においては、各パターン層にはスパイラル状又は同心円状のコイルパターンＣＰが形成されている。図４に示すように、第１層のコイルパターンＣＰは、２つのスパイラル状のコイルパターンＣＰが並列となるように接続した構成であり、第２層のコイルパターンＣＰは、１つのスパイラル状のコイルパターンＣＰとなるように接続した構成である。なお、第３層及び第４層のコイルパターンＣＰは、２つのスパイラル状のコイルパターンＣＰが独立した構成であり、並列となるように接続した構成である。第５層のコイルパターンＣＰは、第２層と同様に、１つのスパイラル状のコイルパターンとなるように接続した構成である。第６層のコイルパターンＣＰは、第１層と同様に、２つのスパイラル状のコイルパターンが並列となるように接続した構成である。

【0036】

そして、コイル基板２０は、４つのコイルパターンＣＰを直列接続した３つの直列パターン群２１～２３を有するとともに、それら３つの直列パターン群２１～２３が並列接続されている。ここで、複数の直列パターン群２１～２３それぞれを構成するコイルパターンＣＰの合計長さのばらつきは１０％以下とすることが望ましい。

【0037】

より詳細には、３つの直列パターン群２１～２３において、２つの直列パターン群２１、２２は、４層のパターン層それぞれに形成された１つのコイルパターンＣＰを直列接続したものである。また、残り１つの直列パターン群２３は、２層のパターン層それぞれに形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。

【0038】

上記のように４層のパターン層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続した直列パターン群２１、２２は、直列接続されるコイルパターンＣＰが形成されたパターン層の組み合わせが同じである。つまり、これら２つの直列パターン群２１、２２は、図５示すように、第１層、第３層、第４層及び第６層に形成された１つのコイルパターンＣＰを直列接続したものである。

【0039】

また、残りの１つの直列パターン群２３は、図５に示すように、上記２つの直列パターン群２１、２２のパターン層の組み合わせとは異なる。つまり、残り１つの直列パターン群２３は、第２層及び第５層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。この構成により、３つの直列パターン群２１～２３を並列接続した場合に、互いに異なるパターン層に形成されたコイルパターンＣＰを並列接続した構成となる。

【0040】

さらに、コイル基板２０において、複数の直列パターン群２１～２３を並列接続した両端子（入力端子２ａ、出力端子２ｂ）は、コイルパターンＣＰの外周部に形成されている。そして、パターン層の間の電気的な接続は、全パターン層を貫通して形成された導電体（スルーホールＴＨ）により形成される。ここでは、コイルパターンＣＰの外周部に設けられた導電体からなる接続端子２ｃと、コイルパターンＣＰの内周部に設けられた導電体からなる接続端子２ｄとにより、各直列パターン群２１～２３となるように接続されている。

【0041】

ここで、第１層、第３層、第４層及び第６層を直列接続した直列パターン群のインピーダンスは、最外周の並列分岐点Ｘを起点として、外側パターンにおける端子２ｄまでのインピーダンスをＺ１とし、並列分岐点Ｘを起点として、内側パターンにおける端子２ｄまでのインピーダンスをＺ２とすると、Ｚ１（第１層外側パターン）＋Ｚ２（第３層内側パターン）＋Ｚ１（第４層外側パターン）＋Ｚ２（第６層内側パターン）＝２Ｚ１＋２Ｚ２となる。

【0042】

また、第２層及び第５層を直列接続した直列パターン群のインピーダンスは、Ｚ１（第２層外側パターン）＋Ｚ２（第２層内側パターン）＋Ｚ２（第５層内側パターン）＋Ｚ１（第５層外側パターン）＝２Ｚ１＋２Ｚ２となる。

【0043】

つまり、３つの直列パターン群２１～２３のインピーダンスは計算上同じであり、インピーダンスのばらつきを小さく設計でき、各パターンの電流ばらつきを低減できるため、コイル損失を低減することができる。

【0044】

なお、並列接続した場合に３つの直列パターン群２１～２３のインピーダンスのばらつきを小さくすれば良いので、図６（ａ）の中間端子を図６（ｂ）のようにまとめても良い。ただし、図６（ｃ）のようにインピーダンスが各々ばらついた場合（Ｚ１≠Ｚ２≠Ｚ３≠Ｚ４）は、中間端子を分ける必要がある。

【0045】

＜コイル基板２０の具体的構成３＞
次にコイル基板２０の具体的構成３について図７を参照して説明する。

【0046】

図７に示すコイル基板２０は、１２層のパターン層を積層してなるプリント基板である。このコイル基板２０においては、各パターン層にはスパイラル状又は同心円状のコイルパターンＣＰが形成されている。具体的に第１層及び第１２層のコイルパターンＣＰは、２つのスパイラル状のコイルパターンＣＰが並列となるように接続した構成であり、第２～第１１層のコイルパターンＣＰは、２つのスパイラル状のコイルパターンＣＰが独立した構成である。

【0047】

そして、コイル基板２０は、４つのコイルパターンＣＰを直列接続した６つの直列パターン群２１～２６を有するとともに、それら６つの直列パターン群２１～２６が並列接続されている。ここで、複数の直列パターン群２１～２６それぞれを構成するコイルパターンＣＰの合計長さのばらつきは１０％以下とすることが望ましい。

【0048】

より詳細には、６つの直列パターン群２１～２６において、２つの直列パターン群２１、２２は、第１層、第６層、第７層及び第１２層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。また、２つの直列パターン群２３、２４は、第２層、第５層、第８層及び第１１層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。さらに、２つの直列パターン群２５、２６は、第３層、第４層、第９層及び第１０層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。

【0049】

さらに、コイル基板２０において、複数の直列パターン群２１～２６を並列接続した両端子（入力端子２ａ、出力端子２ｂ）は、コイルパターンＣＰ１、ＣＰ２の外周部に形成されている。そして、パターン層ＰＬの間の電気的な接続は、全パターン層を貫通して形成された導電体により形成される。ここでは、コイルパターンＣＰ１、ＣＰ２の外周部に設けられた導電体（スルーホールＴＨ）からなる接続端子２ｃと、コイルパターンＣＰ１、ＣＰ２の内周部に設けられた導電体からなる接続端子２ｄとにより、各直列パターン群２１～２６となるように接続されている。

【0050】

この構成においても、６つの直列パターン群２１～２６のインピーダンスは計算上同じであり、インピーダンスのばらつきを小さく設計でき、コイル損失を低減することができる。また、この構成における層間接続数は１８である。

【0051】

＜コイル基板２０の具体的構成４＞
次にコイル基板２０の具体的構成４について図８を参照して説明する。

【0052】

図８に示すコイル基板２０は、図７と同様に、１２層のパターン層を積層してなるプリント基板であるが、その接続方法が異なる。図７に示すコイル基板２０では、層の中心（第６層及び第７層の間）に対して対称となるように接続していたが、図８に示すコイル基板２０では、非対称に接続している。

【0053】

具体的には、このコイル基板２０では、直列パターン群２１～２６において最上層に形成されたコイルパターンＣＰは、最下層以外のパターン層に形成されたコイルパターンＣＰに直列接続されるように構成されている。

【0054】

より詳細には、６つの直列パターン群２１～２６において、２つの直列パターン群２１、２２は、第１層、第６層、第９層及び第１０層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。また、２つの直列パターン群２３、２４は、第２層、第５層、第８層及び第１１層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。さらに、２つの直列パターン群２５、２６は、第３層、第４層、第７層及び第１２層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものである。

【0055】

図９に示すように、各直列パターン群の自己インピーダンスを同じに設計しても実駆動では、特に表層（１２層ならば１層及び１２層）側が相互インピーダンスの影響が小さくなり、電流が大きくなり、コイル損失が大きくなる。このように、相互インピーダンスの影響が小さいコイルパターン同士を直列接続するよりも、図８に示すように、相互インピーダンスの影響が小さいコイルパターン同士を直列接続しない方が、並列接続された直列パターン群の近接効果によるインピーダンスのばらつきを低減することができる。

【0056】

＜本実施形態の効果＞
このように構成された誘導加熱調理器１００によれば、コイル基板２０を６層以上の積層基板から構成しているので、１層の銅厚を薄くすることができ、表皮効果の影響を小さくしてコイル損失を低減することができる。また、複数の直列パターン群は、４層以上のパターン層に形成されたコイルパターンＣＰを直列接続したものを有し、かつ、直列接続されるコイルパターンＣＰが形成されたパターン層の組み合わせが異なるものを含んでいるので、層間接続数を減らすことができ、これによっても、損失を低減することができる。つまり、各層での相互インダクタンスによる並列接続間のばらつきを下げることで、理論上全層直列接続と同等の効率特性を維持することができ、さらに、全層直列接続より層間接続数を減らして層間回りの配線抵抗を下げることで、全層直列より低損失設計が可能となる。

【0057】

＜変形実施形態＞
例えば、コイル基板の層数は６層、１２層、１６層の他に、例えば１０層等の他の層数であっても良い。

【0058】

また、直列パターン群は、４つのコイルパターンを直列接続する以外に、５つ以上のコイルパターンを直列接続しても良い。

【0059】

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0060】

１００・・・誘導加熱調理器
Ｗ ・・・被加熱物
２ ・・・加熱コイル
３ ・・・インバータ回路
４ ・・・制御機器
ＣＰ・・・コイルパターン
２０・・・コイル基板
２１～２６・・・直列パターン群
２ａ、２ｂ・・・両端子
ＴＨ・・・導電体（スルーホール）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】