(57)【要約】      （修正有）【課題】場収束素子を用い効率の良い非接触電力伝送システムを提供する。【解決手段】電力伝送システムは、誘電材料を含む場集束素子を含んでいる。誘電材料は、セラミック材料及びポリマー材料を含んでいる。セラミック材料はチタンを含む酸化物化合物からなり、ポリマー材料は樹脂からなる。さらに、電力伝送システムの製造方法が提供される。かかる方法は、共鳴器を形成する段階を含んでいる。共鳴器を形成する段階は、金属層６２を配置する段階、セラミック材料とポリマー材料とをブレンドして誘電材料を形成する段階、誘電材料を金属層上に堆積して誘電体層６４を形成する段階、金属層及び誘電体層のスイスロール構造体を形成する段階、並びにスイスロール構造体５６を硬化させてモノリシックなスイスロール構造体を形成する段階を含んでいる。【選択図】図４
2013034371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電材料を含む場集束素子を含んでなる電力伝送システムであって、誘電材料が
チタンを含む酸化物化合物からなるセラミック材料、及び
樹脂からなるポリマー材料
を含む、電力伝送システム。
【請求項２】
酸化物化合物が、チタニア、チタン酸塩、フッ化物をドープしたチタニア、及びフッ化物をドープしたチタン酸塩からなる群から選択される、請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項３】
酸化物化合物が(Ｂａ1-x-yＳｒxＭｇy)zＴｉＯ(2+z-δ)Ｆ2δ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦（ｘ＋ｙ）≦１、ｚ＝０又は１≦ｚ≦２、及び０≦δ≦１である。）からなる、請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項４】
セラミック粉末が約５〜約５０μｍの範囲内のサイズを有する、請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項５】
樹脂がＰＴＦＥ及びエポキシ樹脂からなる群から選択される材料からなる、請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項６】
誘電材料がＭｇＴｉＯ3及びＰＴＦＥを含む、請求項５記載の電力伝送システム。
【請求項７】
誘電材料がＳｒＴｉＯ3及びＰＴＦＥを含む、請求項５記載の電力伝送システム。
【請求項８】
誘電材料がＴｉＯ2及びエポキシ樹脂を含む、請求項５記載の電力伝送システム。
【請求項９】
誘電材料がＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3-δＦ2δ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦δ≦１である。）及びＰＴＦＥを含む、請求項５記載の電力伝送システム。
【請求項１０】
場集束素子がスイスロール状に構成された共鳴器を含み、共鳴器は誘電体層及び金属層を含む複数の層を含み、誘電体層は誘電材料を含みかつ隣接する誘電体層は金属層によって隔離されている、請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項１１】
金属層の厚さが約０．１〜約１０ｍｍの範囲内にあり、誘電体層の厚さが約０．０１〜約１ｍｍの範囲内にある、請求項１０記載の電力伝送システム。
【請求項１２】
共鳴器を形成する段階を含んでなる電力伝送システムの製造方法であって、共鳴器を形成する段階が
金属層を配置する段階、
セラミック材料とポリマー材料とをブレンドして誘電材料を形成する段階、
誘電材料を金属層上に堆積して誘電体層を形成する段階、
金属層及び誘電体層のスイスロール構造体を形成する段階、並びに
スイスロール構造体を硬化させてモノリシックなスイスロール構造体を形成する段階
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電力伝送システムに関し、特に共鳴に基づく非接触電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
瞬間的又は連続的なエネルギー伝送が必要とされるが、相互接続ワイヤは不都合である特定の用途では、非接触電力伝送が望ましい。１つの非接触電力伝送方法は、一次変圧器コイルが主磁場を発生し、一次変圧器コイルの近傍にある二次変圧器コイルが対応する電圧を発生するという原理に基づいて働く電磁誘導法である。二次変圧器コイルによって受信される磁場は２つのコイル間の距離の二乗の関数として減少し、したがって数ミリメートルを超える距離では一次コイルと二次コイルとのカップリングは弱い。
【０００３】
もう１つの非接触電力伝送方法では、共鳴誘導カップリングによって誘導電力伝送の効率を高めることが試みられている。送信機と受信機の素子は同じ周波数で共鳴し、最大の誘導はこの共鳴周波数で起こる。しかし、かかる共鳴誘導は負荷及びギャップの変動に対して感受性を有する。
【０００４】
現在容認されているものより長い距離だけ隔てられたコイルを用いて動作することができ、位置ずれ又は負荷の変動を受けた場合でも有効である効率的な非接触電力伝送システムに対するニーズが存在している。さらに、高い誘電特性及び低い誘電損率並びに頑強なデザインを有していて、コスト効率よく製造できかつ所要の周波数範囲で電力伝送システムに使用できる順応性のよい効率的な材料に対するニーズも存在している。
【発明の概要】
【０００５】
簡単に述べれば、一実施形態では、電力伝送システムが提供される。かかる電力伝送システムは、誘電材料を含む場集束素子を含んでいる。誘電材料は、セラミック材料及びポリマー材料を含んでいる。セラミック材料はチタンを含む酸化物化合物からなり、ポリマー材料は樹脂からなる。
【０００６】
一実施形態では、電力伝送システムが提供される。かかる電力伝送システムは、電源に連結された第１のコイル及び負荷に連結された第２のコイル、並びに誘電材料を含みかつ第１のコイルと第２のコイルとの間に配置された場集束素子を含んでいる。誘電材料は、セラミック材料及びポリマー材料を含んでいる。セラミック材料はチタンを含む酸化物化合物からなり、ポリマー材料は樹脂からなる。
【０００７】
別の実施形態では、電力伝送システムが提供される。かかる電力伝送システムは、電源に連結された第１のコイル及び負荷に連結された第２のコイル、並びに共鳴器を含む場集束素子を含んでいる。共鳴器は、誘電体層及び金属層を含む複数の層を含んでいる。共鳴器はスイスロール状に構成されていて、隣接する誘電体層は金属層によって隔離され、かつ誘電体層は誘電材料を含んでいる。誘電材料は、セラミック材料及びポリマー材料を含んでいる。セラミック材料はチタンを含む酸化物化合物からなり、ポリマー材料は樹脂からなる。
【０００８】
別の実施形態では、電力伝送システムの製造方法が提示される。かかる方法は、共鳴器を形成する段階を含んでいる。共鳴器を形成する段階は、金属層を配置する段階、セラミック材料とポリマー材料とをブレンドして誘電材料を形成する段階、誘電材料を金属層上に堆積して誘電体層を形成する段階、金属層及び誘電体層のスイスロール構造体を形成する段階、並びにスイスロール構造体を硬化させてモノリシックなスイスロール構造体を形成する段階を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。添付の図面中では、図面全体を通じて類似の部分は同一の符号で示されている。
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る例示的な非接触電離システムを示している。
【図２】図２は、本発明の様々な実施形態に係る場集束素子の複数の例示的な構造を示している。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る埋め込み材料の複数の例示的な構造を示している。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るスイスロール構造体の例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、電力伝送システム及び電力伝送システムのために使用できる誘電材料を包含する。
【００１１】
本明細書及びそれに続く特許請求の範囲中では、“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”を伴う単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかに他の意味が示されない限り、複数の場合も含めて意味する。
【００１２】
非接触電力伝送システムは、通例、一次コイルと二次コイルとの間における短距離電力伝送によって特徴付けられる。例えば、誘導電力伝送システムの一実施形態は、一次コイル及び二次コイルを用いて、電気的に隔離された２つの回路間で電力を伝送する。電源に連結されると、一次コイルの回りに磁場が確立される。一次コイルから二次コイルに伝送される電力の量は、二次コイルを結合する一次磁場のレベルに比例する。電気変圧器は、透磁率の高い磁気コアを用いて一次コイルと二次コイルとの間で磁場を結合し、かくして少なくとも約９８％程度の効率を達成する。しかし、かかるシステムを非接触電力伝送用に構成すると、２つのコイル間の空隙によって磁場カップリングが低減する。かかるカップリングの低減は非接触電力伝送システムの効率に影響を及ぼす。
【００１３】
本明細書中に開示されている若干の実施形態は、負荷の変動に対する感受性の低下、コイルの位置ずれ時の効率的な電力伝送、及び電力伝送効率を高める場集束構造体を有する頑強な非接触電力伝送システムを提供する。
【００１４】
図１は、電源１４に連結されて磁場（図示せず）を発生するように構成された第１のコイル１２を含む、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送システム１０の一例を示している。第２のコイル１６は、第１のコイル１２からの電力を受け取るように構成されている。本明細書中で使用する「第１のコイル」という用語は「一次コイル」といわれることもあり、また「第２のコイル」という用語は「二次コイル」といわれることもある。一次コイル及び二次コイルは、例えば銅のような任意の良好な導電性材料で作製することができる。電源１４からの磁場を集束させるため、第１のコイル１２と第２のコイル１６との間に場集束素子１８が配置されている。別の実施形態では、場集束素子は電場及び／又は電磁場を集束させるために使用できる。「磁場集束素子」及び「場集束素子」という用語は互換的に使用される。一実施形態では、磁場集束素子１８は自己共鳴コイルとして構成され、第１のコイルを介して励起された場合に定在波電流分布を有する。別の実施形態では、磁場集束素子は能動アレイ又は受動アレイとして動作する複数の共鳴器を含み、各々の共鳴器は定在波電流分布を有する自己共鳴コイルとして構成される。さらに別の実施形態では、磁場集束素子は複数の組のかかる共鳴器を含み、各組のかかる共鳴器は特定の位相で励起される。これらの組の共鳴器を異なる位相で励起した場合、所望の方向の場集束を増強し得ることは容易に理解されよう。
【００１５】
磁場集束素子１８はさらに、第２のコイル１６上に磁場を集束させて、第１のコイル１２と第２のコイル１６とのカップリングを増強するように構成されている。一実施形態では、場集束素子１８に定在波電流分布を創成することにより、磁場集束素子１８の回りに不均一な磁場分布が発生される。図示された実施形態では、場集束素子１８は一例として第１のコイル１２に近接して配置されている。若干のシステムでは、場集束素子１８を第２のコイル１６に近接して配置することが有利であり得る。電源１４から伝送される電力を利用するため、負荷２０が第２のコイル１６に連結されている。若干の実施形態では、非接触電力伝送システム１０はまた、同時に第２のコイルから第１のコイルへ電力を伝送して、このシステムが双方向の電力伝送を行い得るように構成することもできる。可能な負荷の非限定的な例には、電球、電池、コンピューター、センサー、及び動作のために電力を必要とする任意のデバイスがある。
【００１６】
非接触電力伝送システム１０は、電源１４から負荷２０に電力を伝送するために使用できる。一実施形態では、電源１４は、ＡＣ電力をより高い周波数に変換するための電力変換エレクトロニクスと組み合わせた単相ＡＣ発電機又は三相ＡＣ発電機からなっている。第１のコイル１２が磁場集束素子１８の共鳴周波数で励起された場合、磁場集束素子１８内でこの場集束素子の２つの開放端（２２、２４）間に定在波電流分布が発生する。この定在波電流分布により、磁場集束素子１８の回りに不均一な磁場分布が生じる。かかる不均一な電流分布は、任意の所望方向（例えば、この例では第２のコイル１６の方向）に磁場を集束させるように構成されている。共鳴周波数で動作する場合、磁場集束素子１８に対する小さい励起であっても、磁場集束素子の長さ２５に沿って大きい振幅の電流分布が生じる。このような大きい電流マグニチュードの不均一な分布により、第２のコイル１６の方向に増幅されかつ集束された磁場が生じ、その結果としてより高い効率の電力伝送が得られる。
【００１７】
図２は、本発明の様々な実施形態に係る場集束素子の構造の複数の例を示している。一実施形態では、場集束素子は単一のループコイル５０を含んでいる。別の実施形態では、場集束素子は分割リング構造体５２、渦巻構造体５４、スイスロール構造体５６又は螺旋コイル５８のように複数のターンを含んでいる。特定の用途に関する構造の選択は、場集束素子のサイズ及び自己共鳴周波数によって決定される。例えば、（例えば、約１ワット未満の）低電力用途では、約１０００ＭＨｚまでの共鳴周波数が可能である。（例えば、約１００ワット〜約５００キロワットの）高電力用途では、数百ｋＨｚ程度の共鳴周波数が可能である。
【００１８】
一実施形態では、場集束素子１８は、共鳴周波数で励起された際に磁場を集束させる自己共鳴コイルからなっている。この共鳴器は、その自己共鳴周波数が自己キャパシタンス及び自己インダクタンスに依存する任意の形状の自己共鳴コイルである。このコイルの自己共鳴周波数は、コイルの幾何学的パラメーターに依存する。例えば、螺旋共鳴器コイルの場合、共鳴周波数は、螺旋の全長が電磁励起の半波長又は半波長の倍数であるようなものである。結果として、低い周波数におけるこれらの共鳴器の設計は空間的制約のため困難である。共鳴器のサイズを小型化する１つの方法は、共鳴器を高い誘電定数の媒体中に埋め込むことである。
【００１９】
一実施形態では、場集束素子１８の共鳴器又は共鳴器アレイは、より小さいサイズの共鳴器でより低い共鳴周波数を達成するため、高い誘電定数を有する材料又は高い透磁率を有する磁気材料又は高い誘電率及び高い透磁率を有する磁気誘電性媒体中に埋め込まれる。高い透磁率の材料は共鳴器の自己インダクタンスを高め、高い誘電率の材料は共鳴器の自己キャパシタンスを高めることで、共鳴の周波数を低下させる。別の実施形態では、高い透磁率の材料はまた、一次コイルと場集束素子との間及び場集束素子と二次コイルとの間のカップリングを増大させるように構成されている。
【００２０】
共鳴器を誘電性媒体中に埋め込んだ場合、コイルのターン間におけるターン間キャパシタンスが増大し、そのため共鳴器の共鳴周波数を低下させるのに役立つ。高い誘電定数を用いれば、共鳴器のサイズを大幅に縮小することが可能である。高い誘電定数の別の利点は電場を共鳴器内に閉じ込めることであり、放射損失が減少するので電力伝送の効率が改善される。しかし、高い誘電定数を有する材料の選択の設計基準の１つは、動作周波数におけるその材料の損失正接である。低い誘電損失正接は最大のカップリング効率を保証する。損失正接が高いと、共鳴器中における熱の形態での損失が高くなる。
【００２１】
共鳴器を高い誘電定数及び低い損失正接の材料中に埋め込むことで可能になる電力伝送システムは、電力伝送レベルが数ｋＷ程度である電気自動車充電器、回転負荷への電力伝送、鉱業用車両の非接触充電を始めとする用途を有する。高い誘電定数及び高い損失の誘電材料を有する電力伝送システムは、電力レベルが数ミリワットである海中コネクターのような用途に使用することができる。
【００２２】
様々な形状を有する高い誘電定数の材料が、共鳴器用の埋め込み材料として機能し得る。例えば、高い誘電定数の円形の誘電ディスクは、特定の周波数で共鳴器用の埋め込み材料として機能し得る。この場合の共鳴周波数は、共鳴器及び埋め込み材料の幾何学的形状によって決定される。場集束素子として使用できる様々な形状の非限定的な例を図３に示す。
【００２３】
一実施形態では、誘電材料は共鳴器を埋め込むためのバルク材として使用される。本明細書中で使用する「バルク材」という用語は、すべての面が約１ｍｍより大きい三次元構造を有する任意の材料を表す。一実施形態では、誘電材料はコーティングとして使用される。このコーティングは薄膜形態又は厚膜形態のものであり得る。本明細書で使用する「薄膜」は約１００ミクロン未満の厚さを有するのに対し、厚膜は約１００ミクロン〜約１ミリメートルの厚さを有し得る。
【００２４】
一実施形態では、高い誘電定数の材料を金属共鳴器表面上に薄膜又は厚膜コーティングとして使用することで、例えばスイスロール構造体５６のような場集束構造体が創成される。スイスロールの異なる層間の高い誘電定数は構造体のキャパシタンスを増大させ、それによって周波数をかなり低下させる。
【００２５】
高い誘電定数の材料中に共鳴器材料を埋め込むためには、一般に、何らかの方法で共鳴器材料及び埋め込み材料を一緒に加工することが必要である。例えば、圧縮成形された金属層及びセラミック層の組合せを形成することは、多くの加工上の問題を含んでいる。異なる金属及びセラミックの融点、焼結点又は軟化点の差は、共鳴器の所望特性の達成を妨げることがある。熱膨張の差及び異なる焼結挙動は、圧縮成形構造体中に亀裂やギャップを誘発することがある。
【００２６】
材料の挙動は、他の材料の存在下で変化することがある。例えば、共鳴器構造体を形成するために金属共鳴器材料及びセラミック誘電材料を一緒に加工する場合には、過度の酸化なしに共鳴器材料の金属挙動を保持すると同時に、セラミック誘電材料を加工して場集束素子構造体に所要の物理的強度を与えるように加工条件を設計しなければならないことがある。一般に、セラミック材料は高温で焼結して構造体の物理的強度を生じる。しかし、セラミック材料を高温で焼結することはセラミック材料の粒度を増大させ、それによっておそらくはセラミック材料の誘電特性を低下させることがある。
【００２７】
したがって、一緒に加工を受けることができる共鳴器材料及び高い誘電定数の材料を検討することが有益である。さらに、高い誘電定数の誘電材料中に埋め込まれた共鳴器材料を加工するためには低温加工方法が望まれる。
【００２８】
一実施形態では、共鳴器を埋め込むためにある組合せの材料を使用することができる。例えば、高い誘電定数を有する２種以上の材料又は高い透磁率を有する２種以上の材料の混合物を埋め込み材料として使用することができる。別の実施形態では、各々が高い誘電定数又は高い透磁率を有する２種以上の材料の混合物を埋め込み材料として使用することができる。
【００２９】
セラミック材料の誘電特性を著しく損なうことなしにセラミック誘電材料をポリマーと混合することは、金属共鳴器材料と共にセラミック誘電材料に低温加工性を付与するための１つの方法であり得る。したがって、本発明によれば、誘電材料を含む場集束素子であって、誘電材料がセラミック材料及びポリマー材料を含むような場集束素子が提示される。セラミック材料は、所望の周波数範囲で高い誘電定数及び低い誘電損失を有するように構成される。一実施形態では、セラミック材料はチタンを含む酸化物混合物からなる。さらに別の実施形態では、酸化物化合物は、チタニア、チタン酸塩、フッ化物をドープしたチタニア、及びフッ化物をドープしたチタン酸塩からなる群から選択される。一実施形態では、酸化物化合物は、式(Ｂａ1-x-yＳｒxＭｇy)zＴｉＯ(2+z-δ)Ｆ2δ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦（ｘ＋ｙ）≦１、ｚ＝０又は１≦ｚ≦２、及び０≦δ≦１である。）によって表される化合物を包含する。
【００３０】
本明細書中で使用する式(Ｂａ1-x-yＳｒxＭｇy)zＴｉＯ(2+z-δ)Ｆ2δは、この式によって表される特定の比を満たす混合物及び化合物を包含する理論式であり、標準的な特徴付け技法によって特定できる形態で単一の化合物が存在することを必ずしも意味しない。要するに、上記式で特定される材料は、実際には、全体として考えた場合に上記式で特定される総合組成を有する複数の相として存在し得る。
【００３１】
ポリマーと併用でき、かつ１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲で場集束素子のために適した有益な誘電特性を有する酸化物化合物の１種は、チタニア（ＴｉＯ2）である。チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ3）及びチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）は、約１０ＭＨｚまでの周波数範囲で有益に使用できる場集束素子のために特に適した２種のチタン酸塩である。一実施形態では、フッ化物をドープしたチタン酸塩（Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3-δＦ2δ）（式中、０≦ｘ≦１及び０≦δ≦１である。）がセラミック材料の１種として使用される。
【００３２】
誘電材料のポリマー部分は、セラミック材料と混合して所要デザイン及び形状の場集束素子に加工できかつ用途環境に耐え得る任意のポリマーを含み得る。一実施形態では、ポリマー材料はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はエポキシ樹脂のような樹脂である。これらの樹脂は、セラミック材料の有益な誘電特性を実質的に低下させることなく、セラミック誘電材料に低温での良好な加工性を与える。
【００３３】
誘電材料の特定の用途は、該材料のために選択される特性のバランスに影響を及ぼすことがある。例えば、若干の用途では、低い誘電損失正接値を有することよりも高い誘電定数が所望されることがある。若干の他の用途では、その用途にとって低い誘電損失正接値が重要であれば、低い誘電定数を許容することができる。ワイヤレス電力伝送用途における場集束素子の特定の用途では、１０より大きい誘電定数値が許容され得る。それでも、かかる比較的低い最小誘電定数を有する材料には一般に比較的低い誘電損失正接値が付随していて、正味の性能利益をもたらすことができる。本明細書中に記載されるようなセラミック誘電材料へのポリマー添加は、ポリマー添加が誘電定数を１０未満に低下させるか、或いはポリマー添加のないセラミック材料の損失正接値の１０％を超えて損失正接を増大させれば、セラミック誘電材料の有益な誘電特性を低下させると考えられる。
【００３４】
場集束素子の誘電材料の形成に際してセラミック材料をポリマー樹脂と併用することにより、セラミック誘電材料は、ポリマー樹脂との併用なしに加工されたセラミック材料に比べて、小さい粒度で使用することができた。一実施形態では、使用するセラミック材料は粉末の形態であり、約５μｍ〜約５０μｍの範囲内の粒度を有する。さらに別の実施形態では、使用するセラミック誘電材料の粒度は約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内にある。
【００３５】
一実施形態では、場集束素子は、図４に示されるようなスイスロール構造体５６の形態の共鳴器からなっている。共鳴器は金属層６２及び誘電体層６４を含んでいる。スイスロール構造体は複数のターン６６を有している。ここでは、「ターン」は１つの誘電体層及び少なくとも１つの金属層からなる複合巻線として定義される。一実施形態では、スイスロール構造体は２つのターン６６に限定されるのに対し、様々な他の実施形態では、スイスロール構造体は図４に示されるように３以上のターンを有している。一実施形態では、スイスロール構造体６０は約１００までのターンを有している。
【００３６】
一実施形態では、金属共鳴器層（金属層）６２は、銅、銀、アルミニウム、鉄、金、ニッケル、パラジウム、インジウム、ガリウム、亜鉛、鉛、スズ、白金、又は前述した材料の任意の組合せを含んでいる。特定の実施形態では、金属層６２は銅、銀、アルミニウム及びこれらの任意の組合せから選択された１種以上の材料からなる。例示的なシステムでは、金属層６２は銅からなる。若干の実施形態では、表皮抵抗損失を低減させるため、金属層６２はさらに数マイクロメートル乃至数十マイクロメートルの銀又は金めっき層を有し得る。
【００３７】
セラミック材料及びポリマー材料を含む誘電材料は、スイスロール構造体５６の誘電体層６４の形態で埋め込み材料として使用できる。一実施形態では、誘電体層６４は、約１ＫＨｚ〜約１００ＭＨｚの周波数範囲で少なくとも約１０の誘電定数及び約０．０１未満の誘電損失正接を有する高誘電率のセラミック材料である。
【００３８】
スイスロール形態でセラミック層６２及び誘電体層６４を交互に含む構造体は、所定サイズの共鳴器でより低い共鳴周波数を達成するのに役立つ高い分布キャパシタンス及びインダクタンスを与える。高い誘電率の材料の使用は、さらに共鳴周波数を低下させる。誘電体層６４の厚さは、層が薄くなるほど増大するキャパシタンスと低下する絶縁破壊の強さとの妥協の産物である。同様に、金属層の厚さは電流取扱い能力及び表皮抵抗損失の関数である。
【００３９】
したがって、一実施形態では、金属層６２は約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲内の厚さを有する。特定の実施形態では、金属層６２の厚さは約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲内のにある。
【００４０】
誘電体層６４の厚さは、スイスロール形場集束素子の所要の共鳴周波数に応じて変化する。一実施形態では、誘電体層６４は約０．０１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲内の厚さを有する。特定の実施形態では、誘電体層６４の厚さは約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲内のにある。
【００４１】
用途に応じ、スイスロール構造化共鳴器は様々なサイズに構成できる。一実施形態では、共鳴器は、約５ｍｍ〜約１００ｃｍの範囲内のスイスロール内径６０（図４）及び約５ｍｍ〜約３００ｃｍの範囲内の外径６２を有するように構成される。
【００４２】
一実施形態では、複数のターンを成しながら誘電体層及び金属層を含むスイスロール構造体が、層の合体加工を用いて形成される。プロセスの一部として、初期段階で金属層６２を配置する。金属基体は、自立した金属ストリップ又はフィルムであるか、或いはポリマーテープ（例えば、セロファン又はポリウレタンテープ）のような支持犠牲層上に配置された金属粉末又はスラリーの層であり得る。一実施形態では、スイスロール構造体の形成方法は、セラミック材料とポリマー材料とをブレンドして誘電材料を形成する段階、及び誘電材料を金属層上に堆積して誘電体層６４を形成する段階を含んでいる。
【００４３】
一実施形態では、得られた多層アセンブリをさらに積層するか、或いは冷間等圧圧縮する。合体した金属層６２及び誘電体層６４を巻いてスイスロール構造体を形成することができ、また任意には硬化によってポリマー材料を硬化させることができる。硬化後には、ポリマー材料及び誘電材料の所望特性に応じて任意の追加熱処理を施すことができる。追加熱処理は、金属層の酸化を回避し、それによって金属層の金属の特性変化を防止するため、通常は非酸化雰囲気中で実施される。真空、不活性雰囲気及び還元雰囲気が、構造体を熱処理するための非酸化雰囲気の非限定的な例である。得られたスイスロール構造体゜５６は、一体化されたモノリシック構造体である。この場合、スイスロールの形態にある金属層及び誘電体層はスイスロール構造体の取扱い及び使用中に物理的に分離せず、特定の実施形態では理論密度の約９８体積％より大きい密度を有している。
【実施例】
【００４４】
以下の実施例で特定の実施形態に係る方法、材料及び結果を例示するが、特許請求の範囲に制限を課すものと考えるべきでない。すべての成分は一般の化学物質供給業者から商業的に入手できる。
【００４５】
材料の調製：
様々な実施例で特定されるセラミック−ポリマーブレンドに関して使用される一般的な調製方法の概要を以下に述べる。しかし、当業者には理解されるように、以下に提示する実施例では、出発材料の小さい変動、調製、か焼及び焼結の温度、時間及び雰囲気、並びに調製される粉末及びバルク材のサイズ及び形状の変動に順応させることが可能である。
【００４６】
エポキシをポリマーとするスイスロールの作製
最初に、エポキシ樹脂を適当な硬化剤に５：１の重量比で添加し、得られた混合物を乳鉢及び乳棒の使用によって様々な重量濃度でセラミック（例えば、ＴｉＯ2ナノ粒子）とブレンドした。（不活性雰囲気中において７００〜８００℃でアニールすることで軟質にした）軟質の銅ストリップを引き延ばし、ガラス表面上に貼り付けた。ドクターブレード技法を用いて、エポキシ、硬化剤及びセラミック粒子のブレンドを銅ストリップ上にコートした。
【００４７】
複合材でコートした銅ストリップを所要直径の木材／ＰＴＦＥ棒の回りに巻き付けて未焼結体を形成した。次いで、ロールを棒から抜き取った。形成されたロールを室温（ＲＴ）で７２時間又は１００℃で４８時間硬化させることで最終構造体を得た。
【００４８】
ＰＴＦＥをポリマーとするスイスロールの作製
エタノール溶液中でのボールミリングを用いて、ＰＴＦＥ粉末をセラミック粉末と完全に混合した。銅ストリップにサンドブラストを施すか、或いは高粒度（粒度６０番）の紙やすりをかけることで、銅に対するセラミック−ＰＴＦＥ複合材の付着性を良くするためにその表面を粗面化した。これは、エポキシと異なり、銅に対するＰＴＦＥの付着性が良くないからである。（不活性雰囲気中において７００〜８００℃でアニールすることで軟質にした）軟質の銅ストリップを引き延ばし、ガラス表面上に貼り付けた。
【００４９】
複合材をエタノール又は蒸留水と混合してペースト化し、さらにペーストの強度を高めるために２〜５ｗｔ％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を添加した。高粘度の濃厚なペーストが得られるように、液相（水又はエタノール）は最小量で使用した。次いで、ドクターブレード技法を用いてペーストを銅ストリップ上にコートした。複合材でコートしたポリマーストリップを所要直径の木材／ＰＴＦＥ棒の回りに巻き付け、粘着テープで保持した。
【００５０】
ロールをアルゴン中において３５０℃で１時間硬化させた。硬化は、スイスロールを外側及び内側の両方から圧迫することにより、スイスロールの外側及び内側から多少の圧力を加えながら行った。圧力を加えることは、ＰＴＦＥの場合に望ましい。これは、エポキシと異なり、ＰＴＦＥが銅表面に良く付着せず、したがって加熱中に分裂する可能性があるからである。したがって、硬化後にモノリシックなスイスロール構造体を得るための補助手段として圧力を加えた。ペーストを形成するためにＰＶＡを添加した場合には、硬化に付す前にそれを焼き去るため、ロールを２００℃で１０時間予熱した。
【００５１】
酸化物化合物とポリマー材料との組合せの若干の例を、その加工条件及び誘電特性と共に下記の表中に示す。
【００５２】
表１は、実験的加工の詳細及びチタニアとエポキシ樹脂との組合せの成績を示している。表中では、「材料」欄はセラミック材料とポリマー材料との様々な組合せを示し、「条件」欄は該当する実験のために使用されるセラミックとポリマーとの組合せの加工条件である。ＲＴは「室温」を表している。「測定周波数」欄に示された特定の周波数で測定された誘電定数（ＤＣ）及び誘電損失正接（ＤＬＴ）が提示されている。「周波数範囲」欄は、セラミック材料とポリマー材料との組合せを場集束素子に使用するのが特に有利である概略周波数範囲を示している。
【００５３】
【表１】
2013034371.tif 000003
表２は、実験的加工の詳細及びＳｒＴｉＯ3とＰＴＦＥ又はエポキシ樹脂との組合せの成績を示している。
【００５４】
【表２】
2013034371.tif 000004
表３は、実験的加工の詳細及びＭｇＴｉＯ3とＰＴＦＥ又はエポキシ樹脂との組合せの成績を示している。
【００５５】
【表３】
2013034371.tif 000005
表４は、実験的加工の詳細及びフッ素をドープしたＢａ0.4Ｓｒ0.6ＴｉＯ3とＰＴＦＥ又はエポキシ樹脂との組合せの成績を示している。
【００５６】
【表４】
2013034371.tif 000006
以上、本明細書中には本発明の若干の特徴のみを例示し説明してきたが、当業者には数多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は本発明の真の技術思想に含まれるこのような修正及び変更のすべてを包含することを理解すべきである。
【符号の説明】
【００５７】
１０  例示的なシステム
１２  第１のコイル
１４  電源
１６  第２のコイル
１８  場集束素子
２０  負荷
２２、２４  場集束素子の開放端
５０  単一ループコイル
５２  分割リング構造体
５４  渦巻構造体
５６  スイスロール構造体
５８  螺旋コイル
６２  金属層
６４  誘電体層
６６  ターン
【図１】
2013034371.tif 000007
【図２】
2013034371.tif 000008
【図３】
2013034371.tif 000009
【図４】
2013034371.tif 000010
【外国語明細書】
2013034371000001.pdf