JP2016171010A - ボタン型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の小型化が可能なボタン型電池を提供する。【解決手段】正極缶１１及び負極缶１２の組立体からなる金属ケース１０が外郭をなすボタン型電池１は、受電コイル２０と、電力変換部４０と、蓄電部３０と、制御部であるＥＣＵ６０とを備える。受電コイル２０は、給電装置から供給される電力を非接触で受電することにより交流電力を生成する。電力変換部４０は、受電コイル２０により生成される交流電力を直流電力に変換する。蓄電部３０は、電力変換部４０により生成される直流電力に基づき充電を行うとともに、放電により正極缶１１及び負極缶１２の間に電位差を設ける。ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の充電制御を行う。受電コイル２０、電力変換部４０、蓄電部３０、及びＥＣＵ６０は金属ケース１０の内部に収容されている。【選択図】図１

Description

本発明は、正極缶及び負極缶の組立体からなる金属ケースが外郭をなすボタン型電池に関する。

従来、車両の乗員が携帯所持する電子キーと車両との無線通信により車両ドアの施解錠やエンジンの始動許可が行われる、いわゆる電子キーシステムが知られている。この種の電子キーシステムに用いられる電子キーとしては、特許文献１に記載の電子キーがある。特許文献１に記載の電子キーは、二次電池と、受電部とを有している。受電部は、車両の一次コイルから送信される電波を受信することにより直流電力を生成し、当該直流電力を二次電池に供給する。二次電池は、受電部から供給される電力を充電するとともに、放電により電子キーの各種電子部品に電力を供給する。

特開２０１３−２４３８５０号公報

ところで、特許文献１に記載の電子キーでは、二次電池とは別に受電部を設ける必要があるため、電子キーが大型化する懸念がある。なお、このような課題は、電子キーに限らず、二次電池とは別に受電部が設けられる電子機器に共通する課題である。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子機器の小型化が可能なボタン型電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、正極缶（１１）及び負極缶（１２）の組立体からなる金属ケース（１０）が外郭をなすボタン型電池（１）は、受電コイル（２０）と、電力変換部（４０）と、蓄電部（３０）と、制御部（６０）とを備える。受電コイルは、給電装置（７０）から供給される電力を非接触で受電することにより交流電力を生成する。電力変換部は、受電コイルにより生成される交流電力を直流電力に変換する。蓄電部は、電力変換部により生成される直流電力に基づき充電を行うとともに、放電により正極缶及び負極缶の間に電位差を設ける。制御部は、蓄電部の充電制御を行う。受電コイル、電力変換部、蓄電部、及び制御部は金属ケースの内部に収容されている。

この構成によれば、ボタン型電池単体で非接触給電を行うことができるため、非接触給電に必要な各種電子部品をボタン型電池の搭載される電子機器に設ける必要がない。そのため、電子機器を小型化することが可能となる。

本発明によれば、電子機器の小型化が可能となる。

ボタン型電池の一実施形態についてその分解斜視構造を示す斜視図である。 実施形態のボタン型電池の正極缶の斜視構造を示す斜視図である。 実施形態のボタン型電池の電気的な構成を示すブロック図である。 実施形態のボタン型電池により実行される充電制御の手順を示すフローチャートである。 実施形態のボタン型電池を搭載した電子キーの電気的な構成を示すブロック図である。 ボタン型電池の他の実施形態についてその正極缶の平面構造を示す平面図である。

以下、ボタン型電池の一実施形態について説明する。
図１に示されるように、本実施携帯のボタン型電池１は、金属ケース１０と、受電コイル２０と、蓄電部３０と、電力変換部４０と、トランスポンダ５０と、電子制御装置６０とを備えている。以下、電子制御装置６０をＥＣＵ（Electronic Control Unit)６０と略記する。本実施形態ではＥＣＵ６０が制御部に相当する。

金属ケース１０は、正極缶１１及び負極缶１２の組立体からなり、ボタン型電池１の外郭をなしている。図２に示されるように、正極缶１１は、軸線ｍを中心に有底円筒状をなしている。なお、図２の符号１１２は正極缶１１の開口部を示し、符号１１１は正極缶１１の内周面を示している。図１に示されるように、負極缶１２も、軸線ｍを中心に有底円筒状をなしている。正極缶１１及び負極缶１２は導電性の金属材料からなる。負極缶１２は、その底面１２０が正極缶１１の開口部１１２付近に位置するように正極缶１１の内側に配置される。その際、負極缶１２の外周面１２１は正極缶１１の内周面１１１と対向する。正極缶１１の内周面１１１と負極缶１２の外周面１２１との間には、図示しない絶縁パッキンが介在している。絶縁パッキンは、正極缶１１と負極缶１２との間の電気的な絶縁を確保しつつ、正極缶１１の内周面１１１と負極缶１２の外周面１２１との間の隙間を埋める機能を有している。負極缶１２は、正極缶１１に絶縁パッキンを介してかしめられることにより正極缶１１に固定される。ボタン型電池１では、正極缶１１が正極端子として機能し、負極缶１２が負極端子として機能する。

図１及び図２に示されるように、正極缶１１の底面１１０には、正極缶１１の電極として機能する電極部１１３と、電磁透過部１１４とが設けられている。

電極部１１３は、軸線ｍを中心に環状をなす外側電極部１１３ａと、外側電極部１１３ａの中央部に配置される円形状の内側電極部１１３ｂと、外側電極部１１３ａ及び内側電極部１１３ｂを接続する複数の架設電極部１１３ｃとにより構成されている。複数の架設電極部１１３ｃは内側電極部１１３ｂを中心に放射状に配置されている。架設電極部１１３ｃは外側電極部１１３ａと内側電極部１１３ｂとを電気的に導通させている。

電磁透過部１１４は、外側電極部１１３ａ、内側電極部１１３ｂ、及び架設電極部１１３ｃにより囲まれる略扇型状の空間（スリット）に配置されている。電磁透過部１１４は、電磁的に透過な材料、例えばプラスチックからなる。

同様に、負極缶１２の底面１２０にも、負極缶１２の電極として機能する電極部１２３と、電磁透過部１２４とが設けられている。電極部１２３は、外側電極部１２３ａと、内側電極部１２３ｂと、架設電極部１２３ｃとにより構成されている。

金属ケース１０の内部には、受電コイル２０、蓄電部３０、電力変換部４０、トランスポンダ５０、及びＥＣＵ６０が収容されている。

次に、図３を参照して、ボタン型電池１の電気的な構成とともに、受電コイル２０、蓄電部３０、電力変換部４０、トランスポンダ５０、及びＥＣＵ６０のそれぞれの機能について詳しく説明する。

図３に示されるように、受電コイル２０は、給電装置７０から供給される電力を非接触で受電することにより交流電力を生成する。給電装置７０から受電コイル２０への電力伝送方式としては、電磁誘導方式や電磁界共鳴方式、電波方式等の種々の方式を用いることができる。受電コイル２０は、生成した交流電力を電力変換部４０に供給する。また、受電コイル２０は、各種無線信号を送受信するためのアンテナとしての機能も有している。

電力変換部４０は、受電コイル２０から供給される交流電力を蓄電部３０の充電に適した直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換部としての機能を有している。電力変換部４０は、変換した直流電力を蓄電部３０に供給する。

蓄電部３０は、例えばリチウムイオン電池からなる。蓄電部３０は、電力変換部４０から供給される直流電力を充電する。また、蓄電部３０の正極端子及び負極端子は正極缶１１及び負極缶１２に電気的にそれぞれ接続されている。すなわち、蓄電部３０は、放電により正極缶１１と負極缶１２との間に電位差を設ける。この蓄電部３０の充放電により、ボタン型電池１を二次電池として機能させることが可能となっている。

蓄電部３０には、その電圧Ｖｃを検出する電圧センサ３１が設けられている。電圧センサ３１は、検出した蓄電部３０の電圧Ｖｃの情報をＥＣＵ６０に送信する。

トランスポンダ５０は、受電コイル２０を介して無線信号を送信する送信部としての機能を有している。また、トランスポンダ５０は、受電コイル２０を介して無線信号を送受信する送受信部としての機能も有している。

ＥＣＵ６０は、マイクロコンピュータを中心に構成されており、ＣＰＵやメモリ等を有している。ＥＣＵ６０は、トランスポンダ５０を介して、ボタン型電池１とは別の外部機器と各種無線通信を行うことが可能となっている。これにより、ＥＣＵ６０は、汎用的な無線通信を行ったり、Ｑｉ（チー）規格等の汎用的な非接触給電の規格に対応した無線通信を行うことが可能となっている。

ＥＣＵ６０は、電圧センサ３１を通じて蓄電部３０の電圧Ｖｃを所定の周期で監視している。ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃに基づいて蓄電部３０の蓄電量を検知する。ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃに基づいて電力変換部４０の駆動を制御することにより、蓄電部３０の放電制御を行う。

例えばＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが過放電閾値以上であるか否かを監視し、蓄電部３０の電圧Ｖｃが過放電閾値以上である場合には、蓄電部３０を放電させる。過放電閾値は、蓄電部３０が過放電状態であるか否かを判定することができるように予め実験等を通じて設定されている。蓄電部３０の放電により、正極缶１１と負極缶１２との間に電位差が設けられ、ボタン型電池１が使用可能な状態となる。ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが過放電閾値未満の場合には、蓄電部３０の放電を停止する。これにより、ボタン型電池１が使用不可能な状態（待機状態）となる。

また、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃに基づいて電力変換部４０の駆動を制御することにより、蓄電部３０の充電制御を行う。次に、図４を参照して、ＥＣＵ６０による蓄電部３０の充電制御の手順について詳しく説明する。

図４に示されるように、ＥＣＵ６０は、まず、蓄電部３０の電圧Ｖｃの周期的な監視を行う（ステップＳ１）。ステップＳ１に続いて、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。下限電圧閾値Ｖｍｉｎは、例えば蓄電部３０の蓄電量が充電の必要な値まで低下しているか否かを判定することができるように予め実験等を通じて設定されている。

ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ未満である場合（ステップＳ２：ＮＯ）、すなわち蓄電部３０の蓄電量が充電の必要な値まで低下している場合には、蓄電部３０の電圧Ｖｃの周期的な監視を停止し（ステップＳ３）、蓄電部３０の電力消費を低減する。

ステップＳ３に続いて、ＥＣＵ６０は、給電装置７０から供給される電力を受電コイル２０を介して受電したか否かを判断する（ステップＳ４）。例えば給電装置７０にボタン型電池１が近づけられることにより受電コイル２０を介して電力が受電された場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は、受電した電力を電力変換部４０を介して蓄電部３０に充電する充電制御を実行する（ステップＳ５）。また、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃの周期的な監視を再開し（ステップＳ６）、蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達したか否かを判断する（ステップＳ７）。上限電圧閾値Ｖｍａｘは、例えば蓄電部３０が満充電状態であるか否かを判定することができるように予め実験等を通じて設定されている。ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達していない場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ４〜Ｓ７の処理を繰り返し実行する。こうして蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は蓄電部３０の充電制御を停止した後（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。

ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達していない状態で（ステップＳ７：ＮＯ）、例えば給電装置７０からボタン型電池１が離されることにより、受電コイル２０を介した電力の受電が停止された場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ８）。この際、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ未満である場合には（ステップＳ８：ＮＯ）、すなわちボタン型電池１の充電が行われたものの、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎに達する前にボタン型電池１の充電が停止された場合には、ＥＣＵ６０はステップＳ３の処理に戻る。これに対し、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ以上である場合には（ステップＳ８：ＹＥＳ）、すなわちボタン型電池１の充電が停止された際に蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ以上になっている場合には、ＥＣＵ６０は蓄電部３０の充電制御を停止した後（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。

一方、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１に続いてステップＳ２の判断処理を行った際、蓄電部３０の電圧Ｖｃが下限電圧閾値Ｖｍｉｎ以上である場合には（ステップＳ２：ＹＥＳ）、給電装置７０から供給される電力を受電コイル２０を介して受電したか否かを判断する（ステップＳ１０）。例えば給電装置７０にボタン型電池１が近づけられることにより受電コイル２０を介して電力を受電した場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は、受電した電力を電力変換部４０を介して蓄電部３０に充電する充電制御を実行する（ステップＳ１１）。また、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃの周期的な監視を行い（ステップＳ１２）、蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達したか否かを判断する（ステップＳ１３）。ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達していない場合には（ステップＳ１３：ＮＯ）、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を繰り返し実行する。こうして蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達すると（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は蓄電部３０の充電制御を停止した後（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。

また、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃが上限電圧閾値Ｖｍａｘに達していない状態で（ステップＳ１３：ＮＯ）、例えば給電装置７０からボタン型電池１が離されることにより、受電コイル２０を介した電力の受電が停止された場合にも（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻る。

なお、ＥＣＵ６０は、図４に示される充電制御を、蓄電部３０が放電している場合に限らず、蓄電部３０の放電が停止されている場合に実行してもよい。すなわち、ＥＣＵ６０は、図４に示される充電制御を、ボタン型電池１が待機状態である場合に限らず、ボタン型電池１が使用可能な状態である場合に実行してもよい。

次に、本実施形態のボタン型電池１の使用例及び動作例と共に、ボタン型電池１の作用について説明する。

図５に示されるように、本実施形態のボタン型電池１は、例えば車両の電子キーシステムの電子キー８０に用いられる。電子キー８０は、アンテナ８１を介して車両と無線通信を行うトランスポンダ８２と、トランスポンダ８２を介して車両との間で電子キーシステムに係る各種通信処理を行うＥＣＵ８３とを備えている。ＥＣＵ８３により行われる通信処理は、電子キー８０の認証を通じて車両ドアの施解錠やエンジンの始動許可等を行うための通信処理である。ＥＣＵ８３は、ボタン型電池１から供給される電力を動作電源として駆動する。

このような電子キー８０では、ボタン型電池１の出力電圧が低下すると、ＥＣＵ８３が停止し、電子キー８０が使用不可能な状態となる。この場合、電子キー８０は車両と無線通信を行うことができなくなるため、車両のオーナーは車両ドアを施解錠させたり、エンジンを始動させることができなくなる。このようにボタン型電池１に電池切れの異常が発生した場合、本実施形態のボタン型電池１が搭載された電子キー８０では、給電装置７０に電子キー８０を近づければ、ボタン型電池１の蓄電部３０が充電されるため、ボタン型電池１の出力電圧が戻る。すなわち、ＥＣＵ８３への電力供給が可能となり、電子キー８０が使用可能な状態に復帰する。

以上説明した本実施形態のボタン型電池１によれば、以下の（１）〜（４）に示される作用及び効果を得ることができる。

（１）ボタン型電池１単体で非接触給電を行うことができるため、非接触給電に必要な各種電子部品を電子キー８０に設ける必要がない。そのため、電子キー８０を小型化することができる。また、電池交換を必要とすることなく電子キー８０を使用可能な状態に復帰させることができるため、利便性を向上させることができる。また、本実施形態のボタン型電池１を用いた電子キー８０では、電池交換に伴う電子キー８０の筐体の開放が不要である。そのため、電池交換の際に筐体の開放が必要な従来の電子キーと比較すると、電子キー８０の信頼性を確保し易くなる。

（２）ボタン型電池１には、受電コイル２０をアンテナとして用いることにより無線通信を行うトランスポンダ５０を設けることとした。これにより、ボタン型電池１において無線通信を行うことができるため、例えばＱｉ（チー）規格等の汎用的な非接触給電の規格を利用することが可能となる。すなわち、専用の機器を用いることなくボタン型電池１を充電することができるため、利便性を更に向上させることができる。

（３）受電コイル２０を介して無線信号を送受信する場合、金属製の正極缶１１及び負極缶１２により無線信号の送受信が阻害されるおそれがある。この点、本実施形態のボタン型電池１には、正極缶１１及び負極缶１２に電磁透過部１１４，１２４がそれぞれ設けられているため、電磁透過部１１４，１２４を介して受電コイル２０の無線信号の送受信が行われ易くなっている。そのため、より適切に無線通信を行うことが可能である。

（４）正極缶１１の中央部に内側電極部１１３ｂを設けることとした。また、負極缶１２の中央部にも内側電極部１２３ｂを設けることとした。これにより、例えば電子キー８０の電池収容部にボタン型電池１が収容された際、電池収容部の正極の電極ターミナルが正極缶１１の電極部１１３に接触し易くなる。同様に、電池収容部の負極の電極ターミナルが負極缶１２の電極部１２３に接触し易くなる。したがって、電池収容部の電極ターミナルとボタン型電池１とを電気的に接続し易くなる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・正極缶１１の底面１１０の形状、及び負極缶１２の底面１２０の形状は適宜変更可能である。例えば図６に示されるように、電極部１１３が渦巻状に形成されていてもよい。この場合、正極缶１１の底面１１０には、渦巻状の電極部１１３により囲まれる空間を埋めるように電磁透過部１１４が設けられていればよい。このような構成であれば、正極缶１１の底面１１０の全体に電極部１１３を配置することができるため、電池収容部の正極の電極ターミナルが正極缶１１の電極部１１３に接触し易くなる。負極缶１２の底面１２０にも同様の構造を採用してもよい。

・上記実施形態では、正極缶１１及び負極缶１２に電磁透過部１１４，２１０ｄをそれぞれ設けたが、正極缶１１及び負極缶１２のいずれか一方にのみ電磁透過部を設けてもよい。正極缶１１及び負極缶１２間の少なくとも一方に電磁透過部が設けられていれば、受電コイル２０を介した無線信号の送受信を行い易くなる。

・ボタン型電池１からトランスポンダ５０を排除してもよい。この場合、ボタン型電池１は、予め定められた特定の周波数の電波を受電コイル２０を介して受信するとともに、ＥＣＵ６０により蓄電部３０の充電管理を行えばよい。

・蓄電部３０としては、リチウムイオン電池に限らず、電気二重層コンデンサ（ EDLC：Electric Double-Layer Capacitor)等を用いてもよい。蓄電部３０として電気二重層コンデンサを用いれば、交換が不要となるため、ボタン型電池１の長寿命化を実現することができる。

・ボタン型電池１は、電子キー８０に限らず、適宜の電子機器に用いることが可能である。

・ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の充電制御の方法として、図４に示される方法に限らず、適宜の方法を採用することができる。また、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の放電制御の方法として適宜の方法を採用することができる。要は、ＥＣＵ６０は、蓄電部３０の電圧Ｖｃに基づいて蓄電部３０の充放電を制御するものであればよい。

・本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１：ボタン型電池
１０：金属ケース
１１：正極缶
１２：負極缶
２０：受電コイル
３０：蓄電部
４０：電力変換部
５０：トランスポンダ
６０：ＥＣＵ（電子制御装置、制御部）
７０：給電装置
１１３，１２３：電極部
１１３ａ，１２３ａ：外側電極部
１１３ｂ，１２３ｂ：内側電極部
１１３ｃ，１２３ｃ：架設電極部
１１４，１２４：電磁透過部

Claims (5)

1. 正極缶（１１）及び負極缶（１２）の組立体からなる金属ケース（１０）が外郭をなすボタン型電池（１）であって、
   給電装置（７０）から供給される電力を非接触で受電することにより交流電力を生成する受電コイル（２０）と、
   前記受電コイルにより生成される交流電力を直流電力に変換する電力変換部（４０）と、
   前記電力変換部により生成される直流電力に基づき充電を行うとともに、放電により前記正極缶及び前記負極缶の間に電位差を設ける蓄電部（３０）と、
   前記蓄電部の充電制御を行う制御部（６０）と、を備え、
   前記受電コイル、前記電力変換部、前記蓄電部、及び前記制御部は前記金属ケースの内部に収容されていることを特徴とするボタン型電池。
2. 請求項１に記載のボタン型電池において、
   前記受電コイルをアンテナとして用いることにより無線信号の送受信を行うトランスポンダ（５０）を更に備えることを特徴とするボタン型電池。
3. 請求項２に記載のボタン型電池において、
   前記正極缶及び前記負極缶の少なくとも一方には、電極として機能する電極部（１１３，１２３）と、電磁的に透過な電磁透過部（１１４，１２４）とが形成されていることを特徴とするボタン型電池。
4. 請求項３に記載のボタン型電池において、
   前記電極部は、環状の外側電極部（１１３ａ，１２３ａ）と、前記外側電極部の中央部に配置される内側電極部（１１３ｂ，１２３ｂ）と、前記外側電極部及び前記内側電極部を電気的に導通させる複数の架設電極部（１１３ｃ，１２３ｃ）と、を有し、
   前記電磁透過部は、前記外側電極部、前記内側電極部、及び前記架設電極部により囲まれる空間に配置されていることを特徴とするボタン型電池。
5. 請求項３に記載のボタン型電池において、
   前記電極部は渦巻状に形成されており、
   前記電磁透過部は、前記渦巻状の電極部により囲まれる空間に配置されていることを特徴とするボタン型電池。

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