JP2009021357A - コイルユニット及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品としての取り扱いが簡易であり、しかも異物の混入を防止できるコイルユニット及びそれを用いた電子機器を提供すること。
【解決手段】 コイルユニット２２は、平面状コイル３０と、平面状コイルを収容する凹所４１を含み、凹所の底面４２に平面状コイルの伝送面３２を対面させて配置させるコイル収容筐体４０と、平面状コイルの非伝送面３３側に実装部品５３が搭載される実装面５１を有し、平面状コイルの内端引き出し線及び外端引き出し線３４，３５が接続される基板５０とを有する。基板５０は、コイル収容筐体４０の凹所４１の開口端４８側にて、コイル収容筐体４０の蓋として固定される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コイルを用いた無接点電力伝送に係るコイルユニット及び電子機器に関する。

近年、電磁誘導を利用し、金属部分の接点がなくても電力伝送を可能にする無接点電力伝送（非接触電力伝送）が脚光を浴びている。この無接点電力伝送の適用例として、携帯電話機や家庭用機器（例えば電話機の子機）の充電などが提案されている。

無接点電力伝送の従来技術として特許文献１がある。この特許文献１では、送電ドライバの出力に接続された共振コンデンサと一次コイルとにより直列共振回路を構成して、送電装置（一次側）から受電装置（二次側）に電力を供給している。
特開２００６−６０９０９号公報

無接点電力伝送では、一次側及び二次側にコイルユニットを配置することが不可欠である。特に小型機器にコイルユニットを格納する場合、コイルユニット自体の小型化が要求される。また、機器の組み立てに要する一部品として、コイルユニット自体が取り扱いやすい形状であることが望まれる。さらには、コイルユニット自体に異物が混入して電気的故障を引き起こすものであってはならない。

本発明の幾つかの態様は、部品としての取り扱いが簡易であり、しかも異物の混入を防止できるコイルユニット及びそれを用いた電子機器を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るコイルユニットは、
平面状コイルと、
前記平面状コイルを収容する凹所を含み、前記凹所の底面に前記平面状コイルの伝送面を対面させて配置させるコイル収容筐体と、
前記平面状コイルの非伝送面側に実装部品が搭載される実装面を有し、前記平面状コイルの内端引き出し線及び外端引き出し線が接続される基板と、
を有し、
前記基板が前記コイル収容筐体の前記凹所の開口端側にて、前記コイル収容筐体の蓋として固定されることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、コイルはコイル収容筐体と基板とに覆われるので、コイルユニットとして平面状コイル自体が露出せず、電気部品として取り扱いやすい形状となる。しかも、コイル収容筐体には不必要に孔を形成する必要がないことから、平面状コイルの収容空間はコイル収容筐体と基板とに覆われ、外部から異物が混入しない構造となる。コイル収容筐体の内部空間には、平面状コイルの他に実装部品や実装パターンが存在するが、金属異物の混入による電気的障害も発生しにくい。

本発明の一態様では、前記平面状コイルは、前記内端引き出し線が前記伝送面上を通って引き出され、前記コイル収容筐体の前記底面には、前記内端引き出し線を収容する収容部を設けることができる。こうすると、平面状コイルの内端引き出し線の厚みがコイルユニットの高さに影響しないか、少なくともその影響を低減でき、コイルユニットの小型化が図れる。

本発明の一態様では、前記平面状コイルは空芯部を有し、前記コイル収容筐体には、前記平面状コイルの前記空芯部を位置決めする位置決め突部を設けることができる。

こうして、平面状コイル自体の形状である空芯部を利用して平面状コイルを位置決めすることができる。

本発明の一態様では、前記平面状コイルの前記非伝送面側に配置される磁性シートをさらに有し、前記コイル収容筐体と前記基板との間に、前記平面状コイル及び前記磁性シートを収容することができる。

磁性シートは平面状コイルからの磁束を受ける働きをし、平面状コイルのインダクタンスを上げることができる。

本発明の一態様では、前記磁性シートは、前記基板の実装面と対面する側に磁気シールドシートを積層することができる。

磁気シールドシートは、磁性シートが捕捉しきれなかった磁束を吸収して、基板上の実装部品への磁束の悪影響を回避できる。

本発明の一態様では、前記磁性シートの外周端部と前記コイル収容筐体の内壁との間に封止材が封入され、前記平面状コイルの前記内端及び外端引き出し線は前記封止材を通過して前記基板に接続することができる。

こうすると、磁性シートの端部を覆い、あるいは磁性シートの端部の材料が落下する経路を封止できる。このため、基板の実装面上に金属異物が落下することを防止でき、もって、パターンショートなどの電気的弊害を引き起こすことを防止できる。

本発明の一態様では、前記基板は、前記実装面とは反対側の露出面に、前記内端引き出し線及び前記外端引き出し線が接続される接続パターンが設けられ、前記基板の外周端に切欠部が形成され、前記内端及び外端引き出し線は前記切欠部を介して前記実装面より前記露出面に引き回すことができる。

基板の露出面に接続パターンがあると、コイルユニットを組み立てた後に平面状コイルを接続パターンに接続することができ、作業性が高まる。

本発明の一態様では、前記基板は、前記実装面に、前記内端引き出し線及び前記外端引き出し線が接続される接続パターンを有することができる。

こうすると、基板に切欠部を設けること及び切欠部を介して内端引き出し線及び外端引き出し線を露出面に引き回す必要がなく、基板によってコイル収容筐体を密閉できる。

本発明の一態様では、前記コイル収容筐体は、前記底面に貫通するバキューム吸引孔を有することができる。こうすると、組み立て時にコイル収容筐体の底面に平面状コイルをバキューム吸着させて密着性を高めることができる。

本発明の他の態様は、上述したコイルユニットを含む電子機器を定義している。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．充電システム
図１及び図２は、充電器１０と、この充電器１０により充電される電子機器例えば携帯電話機２０とから成る充電システムを模式的に示す図である。図１は、充電器１０Ａに横置きされる携帯電話機２０Ａを示している。充電器１０Ａから携帯電話機２０Ａへの充電は、充電器１０Ａの一次コイルユニット１２のコイルと携帯電話機２０Ａの二次コイルユニット２２のコイルとの間に生じる電磁誘導作用を利用し、無接点電力伝送により行われる。

ここで、図１に示すように、コイルユニット１２，２２同士が対向して無接点電力伝送を実施する際の対向面側を伝送面と称する。図１のコイルユニット１２は上側面が伝送面であり、コイルユニット２２は下側面が伝送面である。伝送面とは逆側の面を非伝送面と称する。

２．コイルユニットの構造
図２は、図１に示すコイルユニット１２，２２のうち、特に小型化が求められる二次コイルユニット２２に好適な構造を示す組立分解斜視図である。なお、図２に示す構造をコイルユニット１２に適用しても良い。

図２において、本実施形態に係るコイルユニット２２は、その基本的構成として、空芯部３１を有する平面状コイル３０と、平面状コイル３０を収容するコイル収容筐体４０と、平面状コイル３０を収容したコイル収容筐体４０の蓋として機能する基板５０とを有する。

図２では、平面状コイル３０の非伝送面側に配置される磁性シート６０をさらに有し、コイル収容筐体４０と基板５０との間に、平面状コイル３０及び磁性シート６０が収容されている。なお、磁性シート６０は、基板５０側に磁気シールドシート６２（後述する図５参照）を積層していることが好ましい。また、図２では、基板５０をコイル収容筐体４０の蓋として固定するために、例えば帯状の両面接着テープ７０を用いている。

平面状コイル３０は、平面的な空芯コイルであれば特に限定されないが、たとえば、単芯または多芯の被覆コイル線を平面上で巻回したコイルを適用することができる。

図３（Ａ）はコイル収容筐体の平面図、図３（Ｂ）はコイル収容筐体の裏面図、図４はコイル収容筐体の部分断面図、図５はコイルユニットの部分断面図である。

コイル収容筐体４０は例えば樹脂材にて射出成形されている。このコイル収容筐体４０は、図４に示すように、平面状コイル３０を収容する凹所４１を有する。凹所４１の底面４２に平面状コイル３０の伝送面が対面して配置される。底面４２の中心には位置決め突部４３が形成されている。この位置決め突部４３に、平面状コイル３０の空芯部３１が位置することで、コイル収容筐体４０に平面状コイル３０が位置決めされる。

また、底面４２は、円形の段差部４４内に形成されている。この段差部４４の直径は、図５に示すように平面状コイル３０の直径より大きい。なお、段差部４４は必須でない。

図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、コイル収容筐体４０の例えば対角線上に位置する縁部の２箇所には、第１の貫通孔４５が形成されている。この第１の貫通孔４４は、後述する通り、コイルユニット２２の組立時にコイル収容筐体４０を治具に位置決めするために用いることができる。また、コイル収容筐体４０の段差部４４内の底面４２には、例えば３箇所に第２の貫通孔４５が形成されている。この第２の貫通孔４５は、後述する通り、コイルユニット２２の組立時に、コイル収容筐体４０の底面４２側に平面状コイル３０をバキューム吸引するためのものである。なお、コイル収容筐体４０の中心に第３の貫通孔４６が形成されている。第３の貫通孔４６は位置決め突部４３の肉逃げとして機能するが、第１，第３の貫通孔４４，４６は、このコイルユニット２２を図１に示す携帯電話機２０に取り付ける際の位置決め部として用いることもできる。

図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、コイル収容筐体４０の段差部４４内の底面４２には、長孔（広義には収容部）４７が形成されている。図２に示すように、平面状コイル３０の内端引き出し線３４が、平面状コイル３０の伝送面３２上を経由して取り出されている。長孔４７は、伝送面３２上にある内端引き出し線３４を収容するためのものである。これにより、平面状コイル３０の伝送面３２の全域で、図５に示すように、平面状コイル３０の伝送面３２をコイル収容筐体４０の底面４２に密着させることができる。結果として、コイルユニット２２の全高を低くして薄型化に寄与する。なお、コイル収容筐体４０の底面４２の厚さは内端引き出し線３４の太さよりも厚いので、内端引き出し線３４が長孔４７に収容され、長孔４７より外に突出することはない。

このように長孔４７に内端引き出し線３４を収容することで、内端引き出し線３４がコイルユニット２２自体の厚みに寄与しない。なお、収容部は貫通した長孔４７に限らず、非貫通の凹部であっても良い。この場合は、内端引き出し線３４がコイルユニット２２の厚みに寄与することを低減できる。

図２及び図５に示す磁性シート６０は、平面状コイル３０を覆うに充分な大きさにて形成されている。この磁性シート６０は、平面状コイル３０からの磁束を受ける働きをし、平面状コイル３０のインダクタンスを上げる機能を有する。磁性シート６０の材質としては、軟磁性材が好ましく、フェライト軟磁性材や金属軟磁性材を適用することができる。

また、磁性シート６０が平面状コイル３０に面する側の逆側には、必要に応じて磁気シールドシート６２を設けることができる。磁気シールドシート６２は、磁性シート６０が捕捉しきれなかった磁束を吸収する役割を有する。これにより、基板５０上の実装部品５２や、携帯電話機２０内の部品への磁束の悪影響を回避できる。磁気シールドシート６２の材質は、磁束を吸収できる材質であれば特に限定されず、非磁性体たとえば、アルミニウムを挙げることができる。

磁性シート６０と磁気シールドシート６２とは例えば両面接着テープ等で積層され、図５に示すように磁性シート６０が平面状コイル３０の非伝送面３３と密着するように、コイル収容筐体４０内に配置される。

ここで、磁性シート６０及び磁気シールドシート６２は、例えば接着テープ（図示せず）等により平面状コイル３０またはコイル収容筐体４０に固定することができる。また、図５に示すように、コイル収容筐体４０の凹所４１の内壁と磁気シールドシート６２の端部との間に、シリコンなどの接着性樹脂材やモールド材などの封止材８０を封入することが好ましい。こうすると、磁性シート６０の端部を覆い、あるいは磁性シート６０の材料（例えば軟磁性金属粉）が落下する経路を接着材やモールド材等の封止材８０で封止できる。これにより、基板５０の実装面５１上に金属異物が落下することを防止でき、もって、パターンショートなどの電気的弊害を引き起こすことを防止できる。また、封止材８０の二次的な機能として、磁性シート６０及び磁気シールドシート６２をコイル収容筐体４０に固定できる。なお、コイル内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５は、図示していないが、封止材８０を通過して基板５０側に引き出される。

基板５０は、図２に示すように、実装面５１と、その反対側の露出面５２とを有し、実装面５１には各種の実装部品５３が搭載されている。この基板５０は、図５に示すコイル収容筐体４０の開口端面４８に両面接着シート７０を介して接着されて、コイル収容筐体４０の凹所４１に蓋をする。これにより、平面状コイル３０や実装部品５３が搭載された基板５０の実装面５１側に、異物が混入することを防止できる。また、コイルユニット２２はコイル収容筐体４０と基板５０の露出面５２に覆われているので、部品としての取り扱いも簡便になる。さらに、基板５０と磁性シート６０または磁気シールドシート６２との間には、実装部品５３を収容できるスペースが確保され、実装部品５３は露出されない。

図６は、コイルユニット２２の裏面図、つまり基板５０の露出面５２側の図である。本実施形態では、基板５０の露出面５２に、平面状コイル３０の内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５を半田付けにより接続するコイル接続パッド５４を有する。

ここで、基板５０の縁部の一部は、平面状コイル３０の内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５を実装面５１側から露出面５２側に引き出すための切欠部５５を有する。さらに、コイル収容筐体４０には、切欠部５５と対応する位置にて、図３（Ｂ）及び図６に示すように開口端面４８の一部が薄肉部４９として形成されている。これにより、図６に示すように、切欠部５５のうち薄肉部４９に覆われない領域の開口より、平面状コイル３０の内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５を実装面５１側から露出面５２側に引き出すことができる。また、基板５０の露出面５２には、他の接続パッド５６も形成され、コイルユニット２２を携帯電話機２０内の他の回路と電気的に接続することができる。なお、接続パッド５４，５６は、例えばスルーホールを介して実装面５１側の配線パターンと接続されている。

基板５０の対角線上に位置する縁部の２箇所であって、コイル収容筐体４０の第２の貫通孔４４と対応する位置に、第４の貫通孔５７が形成されている。また、両面接着テープ７０には、第２，第４の貫通孔４４，５７と対向する位置にスリット７１が形成されている。これら第２，第４の貫通孔及びスリット７１には、後述する治具の位置決めピンが嵌入される。

また、帯状の両面接着テープ７０は、平面状コイル３０の内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５との干渉を避けるための切断部７２を備えている。

３．コイルユニットの組立方法
図７は、コイルユニット２２を組み立てるための第１，第２の治具１００，２００を示している。第１の治具１００には、基板載置面１１０により突出する２本のピン１１０を備えている。基板５０の貫通穴５７と両面接着テープ７０のスリット７１が、第１の治具１００の２本のピン１２０に挿通されて、基板５０及び両面接着テープ７０が、第１の治具１００上に位置決めして配置される。

一方、第２の治具２００は、コイル収容筐体４０を収容できる凹部２１０を備える。この第２の治具２００はさらに、第１，第２のバキューム吸引孔２２０，２３０を有する。第１のバキューム吸引孔２００は、コイル収容筐体４０を吸引して、凹部２１０にコイル収容筐体４０を密着配置するためのものである。第２のバキューム吸引孔２３０は、コイル収容筐体４０の３つの貫通孔４５に連通する。この結果、第２のバキューム吸引孔２３０の吸引力は、コイル収容筐体４０の３つの貫通孔４５を介して平面状コイル３０の伝送面３１に作用する。この結果、第１，第２のバキューム吸引孔２２０，２３０によりバキューム吸引すると、第２の治具２００の凹部２１０にコイル収容筐体４０が密着し、さらに、コイル収容筐体４０の底面４２に平面状コイル３０の伝送面３１が密着する。こうして、平面状コイル３０がコイル収容筐体４０の位置決め突部４３に乗り上げる等の組立異常を防止できる。

コイル収容筐体４０及び平面状コイル３０のバキューム吸引後に、磁性シート６０及び磁気シールドシート６２を接着テープ（図示せず）により平面状コイル３０またはコイル収容筐体４０に取り付ける。また、コイル収容筐体４０の凹所４１の内壁と磁気シールドシート６２の端部との間に、シリコンなどの接着性樹脂材やモールド材などの封止材８０を封入する。その後、第１，第２の治具１００，２００を相対的に移動させて、両面接着テープ７０を介して、コイル収容筐体４０の開口端面４８にて基板５０により蓋をすることができる。

４．コイルユニットの変形例
図８及び図９は、上記実施形態とは異なるコイルユニットを示している。本実施形態のコイルユニットに用いられる基板５８は、実装部品５３が搭載される実装面５１側に、平面状コイル３０の内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５を半田付けにより接続するコイル接続パッド５４を有する点で、上記実施形態とは異なる。ただし、基板５０，５８を共通化させて、実装面５１及び露出面５２の双方にコイル接続パッド５４を有する基板を用いても良い。

本実施形態では、平面状コイル３０の内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５を実装面５１側から露出面５２側に引き出す必要は無い。よって、図８に示す基板５８には、図２に示す基板５０に設けた切欠部５５は不要である。さらに、本実施形態に用いるコイル収容筐体４０には、切欠部５５と対応する位置にて、図３（Ｂ）及び図６に示す開口端面４８の一部を薄肉部４９とする必要は無い。ただし、コイル収容筐体４０の共通化のため、薄肉部４９が形成されたものを本実施形態に用いても良い。加えて、本実施形態に用いる両面テープ７６には、図２に示す切断部７２は不要である。

図９はコイル外端引き出し線３５の配線を示しているが、コイル外端引き出し線３５はコイル収容筐体４０と磁性シート６０及び磁気シールドシート６２との間の隙間を通って（封止材８０が存在する時には封止材８０を通って）基板５８の実装面５１側に引き出され、コイル接続パターン５４（図８参照）に接続される。このため、本実施形態では、コイル収容筐体４０の開口端側を隙間なく基板５８にて密閉できる。よって、異物混入の防止効果はさらに高まる。また、コイルユニットの部品として基板５８の露出面５２はフラットとなるので、部品として取り扱い易くなる。ただし、コイル収容筐体４０内にて内端引き出し線３４及び外端引き出し線３５を基板５８の実装面５１上のコイル接続パターン５４に接続する必要がある。

５．電子機器の適用例
本実施の形態は、電力伝送や信号伝送を行うすべての電子機器に適用可能であり、たとえば、腕時計、電動歯ブラシ、電動ひげ剃り、コードレス電話、パーソナルハンディフォン、モバイルパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、電動自転車などの二次電池を備える被充電機器と充電機器とに適用可能である。

電子機器の筐体の一部として、コイル収容筐体４０を露出させても良い。こうすると、一次・二次コイル間の距離を縮めるのに好適であり、伝送効率が向上する。この際、長孔４７より内端コイル引き出し線３４が露出することが問題であれば、長孔４７を覆うテープ等を貼り付ければよい。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

本実施の形態は、無接点電力伝送に係るものであったが、電磁誘導原理を用いた無接点信号伝送にも同様に適用することができる。

充電器とそれに横置きされる携帯電話機とを有する充電システムを示す図である。 図１の充電システムに用いられるコイルユニットの組立分解斜視図である。 図３（Ａ）はコイル収容筐体の平面図、図３（Ｂ）はコイル収容筐体の裏面図である。 コイル収容筐体の部分断面図である。 コイルユニットの部分断面図である。 コイルユニットの裏面図である。 コイルユニットの組立方法を示す図である。 変形例に係るコイルユニットの組立分解斜視図である。 変形例に係るコイルユニットの部分断面図である。

符号の説明

１０ 充電器、１２ コイルユニット、２０ 電子機器（携帯電話機）、２２ コイルユニット、３０ 平面状コイル、３１ 空芯部、３２ 伝送面、３３ 非伝送面、３４ 内端引き出し線、３５ 外端引き出し線、４０ コイル収容筐体、４１ 凹所、４２ 底面、４３ 位置決め突部、４４ 貫通孔、４５ バキューム吸引貫通孔、４７ 長孔（収容部）、４８ 開口端面、５０，５８ 基板、５１ 実装面、５２ 露出面、５３ 実装部品、６０ 磁性シート、６２ 磁気シールドシート、７０，７６ 両面接着テープ、７２ 切断部、８０ 封止材

Claims (10)

1. 平面状コイルと、
   前記平面状コイルを収容する凹所を含み、前記凹所の底面に前記平面状コイルの伝送面を対面させて配置させるコイル収容筐体と、
   前記平面状コイルの非伝送面側に実装部品が搭載される実装面を有し、前記平面状コイルの内端引き出し線及び外端引き出し線が接続される基板と、
   を有し、
   前記基板は、前記コイル収容筐体の前記凹所の開口端側にて、前記コイル収容筐体の蓋として固定されることを特徴とするコイルユニット。
2. 請求項１において、
   前記平面状コイルは、前記内端引き出し線が前記伝送面上を通って引き出され、
   前記コイル収容筐体の前記底面には、前記内端引き出し線を収容する収容部が設けられていることを特徴とするコイルユニット。
3. 請求項１または２において、
   前記平面状コイルは空芯部を有し、
   前記コイル収容筐体には、前記平面状コイルの前記空芯部を位置決めする位置決め突部が設けられていることを特徴とするコイルユニット。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記平面状コイルの前記非伝送面側に配置される磁性シートをさらに有し、
   前記コイル収容筐体と前記基板との間に、前記平面状コイル及び前記磁性シートが収容されていることを特徴とするコイルユニット。
5. 請求項４において、
   前記磁性シートは、前記基板の実装面と対面する側に磁気シールドシートを積層してなることを特徴とするコイルユニット。
6. 請求項４または５において、
   前記磁性シートの外周端部と前記コイル収容筐体の内壁との間に封止材が封入され、
   前記平面状コイルの前記内端引き出し線及び前記外端引き出し線は前記封止材を通過して前記基板に接続されることを特徴とするコイルユニット。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記基板は、前記実装面とは反対側の露出面に、前記内端及び外端引き出し線が接続される接続パターンが設けられ、
   前記基板の外周端に切欠部が形成され、前記内端引き出し線及び前記外端引き出し線は前記切欠部を介して前記実装面より前記露出面に引き回されることを特徴とするコイルユニット。
8. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記基板は、前記実装面に、前記内端及び外端引き出し線が接続される接続パターンを有することを特徴とするコイルユニット。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて、
   前記コイル収容筐体は、前記底面に貫通するバキューム吸引孔が形成されていることを特徴とするコイルユニット。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のコイルユニットを含む電子機器。

Images