JP6231061B2

JP6231061B2 - 非接触給電装置の受信コイルユニットとその製造方法

Info

Publication number: JP6231061B2
Application number: JP2015202361A
Authority: JP
Inventors: 木内　大裕; 大裕木内; 保雄椎名
Original assignee: Nihon Houzai Co Ltd
Current assignee: Nihon Houzai Co Ltd
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: JP2017076671A

Description

本発明は、スマートウオッチなどのウェアラブルデバイスに内蔵されている二次電池をワイヤレスで充電するために用いられる非接触給電装置の受信コイルユニットとその製造方法に関するものである。

近年、スマートウオッチなどのウェアラブルデバイス（ＷＰＣ）が開発され、販売されてきている。ウェアラブルデバイスには装置を動かすための二次電池が内蔵されている。ウェアラブルデバイスが使用され、内蔵されている二次電池に充電されている電気の残量が少なくなると、ウェアラブルデバイスが機能しなくなるので、この二次電池に充電されている電気の残量が所定の値以下になる前に、外部電源からこの二次電池に電気を供給して二次電池を充電する必要がある。

従来の一般的な電気機器では、内蔵されている二次電池に電気を供給して二次電池を充電する場合、外部電源から電気機器に電源コードを接続して、内蔵されている二次電池に電気を供給しているが、先進的な電気機器であるウェアラブルデバイスでは、電気の供給のスマートさという観点から、内蔵されている二次電池への電気の供給に、ワイヤレスで給電する非接触給電装置が使用されている。

ここで、非接触給電装置は、図６に示すように、ウェアラブルデバイス１００と、ウェアラブルデバイス１００に電気を供給する給電ユニット１０２とからなる。ウェアラブルデバイス１００には受信コイルユニット１０４が内蔵され、給電ユニット１０２には送信コイルユニット１０６が内蔵されている。また、給電ユニット１０２は外部電源（図示せず）に接続するコード及びコンセントを備えている。

給電ユニット１０２に外部電源から電流を供給すると、供給された電流は給電ユニット１０２の電子回路（図示せず）を介して送信コイルユニット１０６に供給され、送信コイルユニット１０６からは電磁波がウェアラブルデバイス１００に向けて発信される。発信された電磁波はウェアラブルデバイス１００の受信コイルユニット１０４で受信され、電子回路（図示せず）を介して電流に変換され、二次電池に供給される。

ところで、ウェアラブルデバイス１００はとても小さい電気機器なので、内臓されている受信コイルユニット１０４は小型化する必要がある。また、非接触給電装置の送信コイルユニット１０６から受信コイルユニット１０４への電気の伝送効率を高め、充電時間を短くしようとすると、受信コイルユニット１０４のインダクタンスＬを大きくする必要がある。

受信コイルユニット１０４のインダクタンスＬを大きくするためには受信コイルユニット１０４の受信コイルの巻き数Ｎを大きくする必要がある。受信コイルの導線を細くして、受信コイルの巻き数Ｎを大きくすると、受信コイルの交流抵抗（ACR）が増加し、受信コイルの発熱が大きくなり、伝送効率が低下する。

すなわち、ＷＰＣ用コイルに於いて、給電電力を大きくする為にインダクタンスLsが大きく、かつ電流を大きくすることである。また、効率を改善するためには、高周波損失を小さくすることが必要である。高周波損失はＡＣＲ（交流抵抗Ｒｓ）で評価できる。高周波損失は表皮効果、近接効果等に起因する。

そこで、インダクタンスＬが大きくて、交流抵抗（ACR）が小さい、伝送効率を高めた小型の受信コイルユニット１０４が種々提案され、使用されている。しかし、これまで提案されてきた受信コイルユニット１０４は構造が複雑で、製造に手間がかかり、製造コストが高くなるという問題があった。

また、受信コイルユニット１０４はウェアラブルデバイスに組み込み可能な形状、例えば笠状をした形状のものが要求される場合がある。丸導線を単純に巻回して平らな円盤状の受信コイルを形成し、この受信コイルを略笠状に成形すると、図５に示すように、導線の端部がバラケてしまうおそれが大きいという問題があった。導線の端部がバラケないように導線を合成樹脂で相互に固めてしまうと、受信コイルを所望の形状に成形することができないという問題があった。

特開２００８−８７７３３号公報特開２００９−５４６９号公報特開２０１２−８９６１８号公報特開２０１２−１４７６３８号公報特開２０１２−１９９４３２号公報

本発明が解決しようとする課題は、インダクタンスＬが大きくて、交流抵抗（ACR）が小さく、成形容易な非接触給電装置の受信コイルユニットを
容易且つ安価に作ることができない点である。

本発明は、受信コイルの巻き数を多くしてインダクタンスＬを大きくしても交流抵抗（ACR）が増加しないようにするため、帯状の平角線を渦状に巻回して非接触給電装置の受信コイルユニットを形成したことを最も主要な特徴とする。

すなわち、本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットは、導線を渦状に巻回して形成されたリング状の受信コイルと、該受信コイルの一方の面に積層・接着された略リング状の受信コイル基板とを備え、該受信コイルを形成している導線は熱融着性樹脂により被覆された帯状の平角線からなり、該受信コイルの隣り合う導線は熱融着性樹脂により接着・一体化され、該受信コイル基板は端子部を有し、該端子部には一対の端子が形成され、該一対の端子には該受信コイルの各端部が各々接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法は、熱融着性樹脂を被覆した導線を加熱下に渦状に巻回してリング状の受信コイルを形成する受信コイル形成工程と、該受信コイルの一方の面に受信コイル基板を接着する受信コイル基板接着工程と、該受信コイル基板に形成した一対の端子に該受信コイルの各端部を各々半田付けする半田付け工程とを備えたことを特徴とするものである。

ここで、前記受信コイルを形成している隣り合う導線は、断面の長辺を含む幅方向の面で相互に積層されている。前記受信コイルは略笠状に成形され、隣り合う導線は幅方向に順次ずれて積層されている。前記導線の幅は４００μｍ以上が好ましい。前記端子部は前記補強シートの内側に突出形成されている。前記受信コイルは圧空成形機で成形することができる。

すなわち、平角線の幅は、直流抵抗（ＤＣＲ）を小さくする為には、大きい方がよいが、大きくすると限られたスベースでコイルの巻き数が取れず、インダクタンスＬが確保できないし、高周波損失を低減する為には、表皮深さと同程度がよいと考えられる。ACR、DCRを抑える為、コイルの幅は小さく、高さはできるだけ大きくとる形状となる。

すなわち、平角線の幅は、直流抵抗（ＤＣＲ）を小さくする為には、大きい方がよいが、大きくすると限られたスペースでコイルの巻き数が取れず、インダクタンスＬが確保できないし、高周波損失を低減する為には、表皮深さと同程度がよいと考えられる。ＡＣＲ，ＤＣＲを抑える為、コイルの幅は小さく、高さはできるだけ大きくとる形状となる。例えば、銅線コイルで周波数を３５０ＫＨｚとすると、表皮深さは約１１０μｍとなる。幅９０μｍで高さ400μｍのコイルは、Ｎ＝２６（ターン数）でＬ＝２０μＨ、厚さ０．２ｍｍのフェライトシート付でＬ＝２７μＨとなる。ここで、コイルの幅はコイルの厚さ、コイルの高さは受信コイルの厚さに相当する。

本発明は、受信コイルユニットの受信コイルを形成する導線として帯状の平角線を使用したので、平板な受信コイルをデザインの要求に合わせて成形する際に、隣り合う導線同士が少しずれてもその重なりが維持され、導線をバラケさせることなく、成形することができ、従って、成形した受信コイルユニットを安価に提供することができるという利点がある。

また、本発明の非接触給電装置の受信コイルユニットは、受信コイルを形成する導線として帯状の平角線を使用したので、導線の占積率が高まり、導線の断面積を大きくすることができ、導線に大電流を流すことが可能になり、従って、ウェアラブルデバイスの二次電池を急速に充電することができるという利点がある。

また、本発明の非接触給電装置の受信コイルユニットは、受信コイルを形成する導線として帯状の平角線を使用したので、導線の占積率が高まり、導線の断面積を大きくすることができ、導線に大電流を流すことが可能になり、従って、充電時における発熱を抑えることができるという利点がある。

図１は本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの説明図である。図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図である。図３は本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの製造工程を示す工程図である。図４は本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの分解斜視図である。図５は従来の受信コイルの参考拡大断面図である。図６は非接触給電装置の説明図である。

本発明は、ウエアラブルデバイスに組み込まれている二次電池を充電する非接触給電装置の受信コイルユニットを安価に提供するという目的を、最小の部品点数で、電気的な特性を損なわずに実現した。

図１は本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの説明図、図２は図１の受信コイルユニットの端子部の拡大図である。これらの図に示すように、本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットは、リング状の受信コイル１０と、受信コイル１０の一方の面に積層・接着されたリング状の受信コイル基板１２とからなる。

受信コイル１０は銅（Ｃｕ）の平角導線を渦状に巻回してリング状に形成し、これを略笠状に成形したものからなる。受信コイルの外径φは２０．９５ｍｍ、内径φは１５ｍｍ、厚さは４００μｍ、巻き数は２６回である。

受信コイル１０を形成している平角導線の幅は４００μｍ、厚さは９０μｍである。平角導線には熱融着性に優れたポリウレタン樹脂の被膜が被覆されている。平角導線に被覆されているポリウレタン樹脂の被膜の厚さは２０μｍである。隣り合う平角導線はポリウレタン樹脂の被膜により接着・一体化されている。例えば、銅の平角導線で周波数を３５０ＫＨｚとすると、表皮深さは約１１０μｍとなる。幅９０μｍで、高さ４００μｍの平角導線をターン数Ｎ＝２６で受信コイルを形成すると、Ｌ＝２０μＨ、フェライトシート付でＬ＝２７μＨとなる。ここで、コイルの幅はコイルの厚さ、コイルの高さは受信コイルの厚さに相当する。

受信コイル基板１２は基板シート１４と基板シートに形成された一対の端子１６，１６とからなる。基板シート１４は厚さ２５μｍのポリイミド樹脂（ＰＩ）シートからなる。基板シート１４はリング状の本体部１４ａと、本体部１４ａの内側に突出形成された端子部１４ｂとからなる。一対の端子１６，１６は端子部１４ｂの上に形成されている。一対の端子１６，１６はニッケル（Ｎｉ）からなるベースメタルに金メッキを施して形成されている。

次に、本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法を図３及び図４を参照しながら説明する。

まず、本発明に係る非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法は、受信コイル１０を形成する受信コイル形成工程と、受信コイル１０に受信コイル基板１２を接着する受信コイル基板接着工程と、受信コイル基板１２の端子１６へ受信コイル１０の巻き初めの端部１８と巻き終わりの端部２０を半田付けして受信コイルユニットを形成する半田付け工程と、受信コイルユニットを略笠状に成形する受信コイル成形工程とからなる。

受信コイル形成工程は、巻取機を使用して、平角導線を加熱下で渦状に巻回し、リング状の受信コイル１０を形成する工程である。ここで、平角導線は幅方向の面が巻き取り軸に対して平行になり、厚さ方向の面が巻き取り軸に対して直交するようにして巻回する。平角導線に被覆されているポリウレタン樹脂の被膜は巻回の際に溶融し、形成された受信コイル１０の隣り合う平角導線はポリウレタン樹脂の被膜により接着・一体化されている。

受信コイル基板接着工程は受信コイル１０の一方の面に受信コイル基板１２を接着剤で接着する工程である。この工程では、受信コイル１０の一方の面と、受信コイル基板１２の一方の面に接着剤を均一に薄く塗布し、１分程度のオープンタイムの後、受信コイル１０の一方の面に受信コイル基板１２の一方の面を重ね、受信コイル基板１２の上から指の腹で均一に押すことにより受信コイル基板１２を貼り合わせる。尚、受信コイル基板１２を重ね合わせ際は、受信コイル１０の巻き始めの端部１８の位置と巻き終わりの端部２０の位置と受信コイル基板１２の各端子１６，１６の位置とを合わせておく。

半田付け工程は受信コイル基板１２に形成されている一対の端子１６，１６に受信コイル１０の巻き始めの端部１８と受信コイル１０の巻き終わりの端部２０を各々半田付けする工程である。

受信コイル成形工程は、受信コイルユニットを圧空真空成形機を用いて略笠状に成形する工程である。フォーミングシートとしてはＰＥＴシート（ｔ＝０．３〜０．６ｍｍ）を使用する。成形時における圧空圧は８０Ｍｐａである。

本発明に係る受信コイル１０は平角導線が面で重なり合っているので、隣り合う導線同士が成形で少しずれても、その重なり部分が大きいので（図２参照）、端部の導線をバラケさせることなく、略笠状に成形することができる。ちなみに、導線として丸導線を使用し、丸導線を単純に巻回して受信コイル１０を形成した場合は、略笠状に成形する際に導線の端部が、図５に示すように、バラケるおそれが大きいので、略笠状の受信コイルを形成することは極めて困難である。

本発明は、スマートウオッチなどのウェアラブルデバイスの二次電池を充電する用途に適用するだけでなく、携帯電話、スマートフォン、ｉｐａｄ、携帯型音楽プレーヤ等の二次電池を充電する用途にも適用できる。

１０受信コイル
１２受信コイル基板
１４基板シート
１４ａ本体部
１４ｂ端子部
１６端子
１８巻き初めの端部
２０巻き終わりの端部

Claims

導線を渦状に巻回して形成されたリング状の受信コイルと、該受信コイルの一方の面に積層・接着された略リング状の受信コイル基板とを備え、該受信コイルを形成している導線は熱融着性樹脂により被覆され、該受信コイルの隣り合う導線は熱融着性樹脂により接着・一体化され、該受信コイル基板は端子部を有し、該端子部には一対の端子が形成され、該一対の端子には該受信コイルの各端部が各々接続されている非接触給電装置の受信コイルユニットにおいて、該導線が帯状の平角線からなり且つ受信コイルが略傘状に成形されていることを特徴とする非接触給電装置の受信コイルユニット。
前記受信コイルを形成している隣り合う導線は、断面の長辺を含む幅方向の面で相互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の受信コイルユニット。
前記受信コイルの隣り合う導線は幅方向に順次ずれて積層されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の受信コイルユニット。
前記導線の幅が４００μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の受信コイルユニット。
前記端子部が前記受信コイル基板の内側に突出形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置の受信コイルユニット。
熱融着性樹脂を被覆した導線を加熱下に渦状に巻回してリング状の受信コイルを形成する受信コイル形成工程と、該受信コイルの一方の面に受信コイル基板を接着する受信コイル基板接着工程と、該受信コイル基板に形成した一対の端子に該受信コイルの各端部を各々半田付けする半田付け工程とを備えた非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法において、該導線として帯状の平角線を使用し且つ該受信コイルを略笠状に成形することを特徴とする非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法。
前記導線を断面の長辺を含む幅方向の面で相互に重なるように巻回することを特徴とする請求項６に記載の非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法。
前記受信コイルを圧空成形機で成形することを特徴とする請求項６に記載の非接触給電装置の受信コイルユニットの製造方法。