JP5094527B2 - 構造体、及びそれを用いた電池、並びに電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造体、及びそれを用いた電池、並びに電子装置に関する。

従来、外部からの無線送電によって電力の供給を行ない、その電力によって作動する装置があった。そのような装置の一例として、外部からの無線送電をコイルで受信し、その電力で作動するカプセル内視鏡があった。
特開２００４−３４４２５６号 公報

しかしながら、上記従来の構成では、無線送電の際、受信が困難となり、無線送電による電力供給が不安定となる場合があった。

そこで、安定して無線送電を受信できる構造体、及びそれを用いた電池、並びに電子装置が望まれていた。

本発明の一実施形態にかかる構造体は、誘電体から成り、外部回路基板上に搭載するための基体と、前記基体の内部および表面に設けられた導体と、軸方向が上下方向に対し直交するとともに、前記導体と電気的に接続され、該導体に電力を供給するためのコイルと
、を具備した構造体であって、前記コイルは、誘電体内部に設けられたメタライズ層から成る複数の導線が接続された一本の導線から成り、前記コイルの軸方向と直交する方向において、前記導線が同心状に複数巻回されていることを特徴とする。

本実施形態にかかる構造体によれば、構造体の下方に、外部電気回路基板が配された場合であっても、無線送電した電力が外部電気回路基板に設けられた電極や配線等を介して漏電することを抑制できる。その結果、無線送電した電力を有効に利用することができる構造体となる。

また、上記構造体に蓄電体を備えれば、上記電力を蓄電体に安定して、安全に蓄電することができる。

また、上記構造体に電子部品を備えれば、上記電力を安定して電子部品に供給することができる。

本発明の一実施形態にかかる構造体１０、及びそれを用いた電池２００、並びに電子装置３００について、以下に詳細に説明する。

本実施形態にかかる電池２００は、誘電体から成り、外部回路基板上に搭載するための基体１と、基体１に設けられた導体２と、軸方向が上下方向に対し角度を有するとともに、導体２と電気的に接続され、該導体２に電力を供給するためのコイル３と、を備える。また、基体１上面に搭載された蓄電体５と、基体１に被着され、蓄電体５を封止するための蓋体４と、を具備する。

また、本発明の他の実施形態にかかる電子装置３００は、上述した蓄電体５に代えて電子部品６を具備する。

この場合、電池２００又は電子装置３００の下面に、外部電気回路基板（不図示）が配された場合であっても、無線送電した電力が外部電気回路基板に設けられた電極や配線等を介して漏電することを抑制できる。その結果、無線送電した電力を有効に利用し、上記電力を蓄電体５に安定して、安全に蓄電することが可能な電池２００を提供することができる。又は、上記電力を電子部品６に安定に供給して正常かつ安定に作動させることが可能な電子装置を提供することができる。

以下、本実施形態にかかる構造体１０について、各構成要素について詳細に説明する。

＜構造体＞
（基体）
基体１は、アルミナ（酸化アルミニウム，Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体等のセラミックス，ガラス，樹脂等の誘電体から成るものである。基体１は、従来周知の手法により、直方体状、円柱状、多角柱状に形成される。

基体１は、図１（ｂ）に示すように、基板３０と蓄電体５を搭載するための容器体とを別体で構成されたものでもよいし、図２（ｂ）に示すように、基板３０と蓄電体５を搭載するための容器体とを一体成型したものであってもよい。

基板３０と蓄電体５を搭載するための容器体とを別体で基体１を構成した場合、基板３０によって配線の引き回しの自由度が向上するという効果を有する。

基板３０と蓄電体５を搭載するための容器体とを一体成型して基体１を構成した場合、基板３０を基体１に一体化して小型化できるという効果を有する。

（導体）
導体２は、例えば、Ａｌ、Ｚｎ等を主成分とする金属を用いることができる。また、導体２の形成方法は、従来周知の吸引印刷法や、スクリーン印刷法を用いることができる。なお、外部雰囲気に露出する導体２の表面には、Ｎｉ−Ａｕめっき等を施せば、導体２が腐食劣化することを抑制できるため好ましい。

また、後述するコイル３と導体２とを電気的に接続するためには、例えばビアホール導体で導体２を引き回したり、基体１に導電体を内層して導体２を引き回せばよい。

この場合、導電体は、基体１内部で引き回され、外部雰囲気に接触することを抑制できるため、導電体の腐食劣化を抑制できる。

（コイル）
コイル３は、導体２と電気的に接続され、導体２に電力を供給するためのものである。コイル３の軸方向に向かって無線電力を送電すれば、当該コイル３内部で起電力を発生することができる。すなわち、コイル３の軸方向に磁場を通過させることにより、電磁誘導によって磁場の通過方向に対して垂直方向に起電力が発生し、コイル３には、電流が流れる。

この構成により、例えば、構造体１０に蓄電体５を備えて電池２００とした場合は、コイル３にて無線送電した電力を受電した後、蓄電体５に蓄電することができる。また、無線送電を受電できない場合は、蓄電体５の電力を利用することができる。

また、構造体１０に電子部品６を備えて電子装置３００とした場合は、電子部品６に安定して電力を供給することができるため、電力を安定して電子部品６に供給することができる。

コイル３の形成方法は、例えば、図１（ａ）に示すように、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料から成る金属線を螺旋状に形成すればよい。なお、金属線には金属線同士の接触によるショートを防止するため、金属線表面に絶縁皮膜を形成しておくことが好ましい。

この場合、金属線を螺旋状に巻くだけで良いことから、コイル３を少量作製する場合においても、低コストで作業効率良くコイル３を作製することができる。なお、図１（ａ）に示す構造体は、導体２とコイル３とは、基板３０内部に設けられた導電体を介して電気的に接続されるものである。

また、図２（ｂ）に示すように、コイル３をメタライズ層、及びビアホール導体にて形成してもよい。この場合、所定の配線形状を有するメタライズ層、及びビアホール導体によって、所定の性能を有するコイル３を効率良く製造できる。なお、ここでは、導体２とコイル３とは、基体１内部に設けた導体２を介して電気的に接続される。

ここで、コイル３は軸方向が上下方向に対し角度を有するように形成されている。この構成により、以下の効果を奏する。

すなわち、基体１の下面に、プリント板等から成る外部回路基板が配された場合、無線送電によって発生する磁場は、その軸方向が上下方向に対して、角度を有する。それゆえ、無線送電した電力が外部回路基板に設けられた電極や配線等へ漏電することを抑制できる。その結果、無線送電した電力を有効に利用することができる構造体１０となる。

また、コイル３は軸方向が上下方向に対し角度を有する例として、図１（ｂ）、図２（ｂ）ではコイル３が上下方向に対し９０°傾くように構成したものを示す。換言すれば、コイル３は、その軸方向が、蓄電体５が搭載される搭載部１ａと平行に配されたものである。この場合、磁場が外部電気回路基板の電極や配線等に対して平行になり、電極や配線等が受ける磁場の量が大幅に低減するため好ましい。

さらに、コイル３は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、誘電体に形成されたものであることが好ましく、隣接する巻き線部がショートするのを抑制できる。例えば、基体１がセラミックスから成り、セラミックグリーンシート積層法によって作製される場合、コイル３は内層導体とビアホール導体とでＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等から成るメタライズ層を螺旋状に配線することによって形成すればよく、基体１が樹脂から成る場合はＣｕ等の金属層を螺旋状に配線することによって形成すればよい。

その結果、基体１とコイル３とを同一工程で製造することができ、基体１とコイル３とを効率良く製造することができるとともに、基体１とコイル３とを一体とすることで小型化が可能となる。また、コイル３と蓄電体５とを電気的に接続するための接続導体を基体１内部に第１導体１ａと第２導体１ｂと一体的に形成することができる。従って、図１に示すような、基体１とコイル３とを接続させるための基板３０が不要となる。

以下、本実施形態にかかるコイル構造における変形例を示す。

図３に示すように、コイル３は、一本の導線から成り、該コイル３の軸方向において、その一端側に導線の両端を有し、且つ、導線の相互に間隔を有する構造とすれば、導線を伝送する電力信号のノイズを互いに打ち消しあうことができる。その結果、ノイズによって、磁場に対する感度が低下するのを防止し、受電効率の低下を抑制できる。したがって、コイル３の受電効率を向上させることができる。

また、図４に示すように、コイル３は、複数の導線から成り、該コイル３の軸方向と直交する方向において、導線が同心状に複数有する構造であることが好ましい。コイル３の軸方向と直交する方向におけるコイル３の巻数に応じて、受電効率が増加する。すなわち、コイル３の巻き数が多いほどコイル３で磁場を受け易くすることができ、無線によって送電された電力の受電の漏れを防止することができる。

図４のように、複数の導線をメタライズで形成すれば、所定の位置に所定の配線形状を有するメタライズ層、及びビアホール導体によって、所定の性能を有するコイル３を同心状に効率よく製造できるという理由で作業性良く同心状のコイル構造を作製することができる。

次に、本実施形態にかかるコイル３の配置方法において変形例を示す。

構造体１０において、コイル３を複数備え、それぞれ異なる軸方向を有することが好ましい。
例えば、図５に示すように、３方向に対してコイル３の軸方向を有することで、無線送電した電力を受電する際の自由度が高まる。

例えば、図６（ａ）に示すように筒状の誘電体２ａの内面にメタライズ層や金属層から成るコイル３が形成されたり、図６（ｂ）に示すように柱状の誘電体２ａの表面にメタライズ層や金属層から成るコイル３が形成されたりしたものであってもよい。

この場合、単に誘電体２ａがコイル３のショートを抑制する役目を有するだけではなく、コイル３の直径，長さを所定の寸法に規定することができ、所定の性能を有するコイル３を作製できるため好ましい。

＜電池、電子装置＞
以下に、上述した構造体１０を用いた電池２００について説明する。 本発明にかかる電池２００は、上記構成の構造体１０と、基体１上面に搭載された蓄電体５と、基体１に被着され、蓄電体５を封止するための蓋体４と、を具備したものである。

図７は、本実施形態にかかる電池２００の断面を示す構造図であり、図７は図１の構造体１０を用いた電池２００である。

（蓄電体）
以下、蓄電体５として電気二重層キャパシタを用いた例を示す。

蓄電体５として、電気二重層キャパシタを用いた場合は、コイル３で受電した電力の極性が変化した場合であっても、蓄電体５に蓄電させることができる。すなわち、電気二重層キャパシタには極性がないため、無線送電した電力をさらに有効に利用することができる。

電気二重層キャパシタを有する電池２００の具体的な構成を以下に示す。

電池２００は、第２導体２ｂに電気的に接続された第１の分極性電極Ｂ−１と、この第１の分極性電極Ｂ−１の上面に電解液Ｂ−４を含浸したセパレータＢ−３を介して載置された第２の分極性電極Ｂ−２と、を備える。

その後、電解液Ｂ−４とから成る電気二重層キャパシタ要素を収納するとともに、この第２の分極性電極Ｂ−２の上面に蓋体４を当接する。蓋体４は、搭載部１ａの開口部を塞ぐようにして基体１の上面にロウ付けされる。このとき、蓋体４は、少なくとも下面が導電性とされており、第２の分極性電極Ｂ−２に当接されて第２の分極性電極Ｂ−２と電気的に接続されるとともに、枠状部材４ａの上面にまたは直接第１の導体１ａの上面にロウ材等で接合されることによって第２の分極性電極Ｂ−２と第１の導体１ａとを電気的に接続する。

以上のようにして、本実施形態にかかる電池２００が完成する。

なお、蓄電体５は、電気二重層キャパシタに限定されるものではなく、リチウム電池、ニッケル水素電池等の電池であってもよい。

例えば、リチウム電池、ニッケル水素電池等の電池の場合は、極性を有するため、第１の導体１ａと第２導体１ｂに極性を持たせ、電流の流れる方向を規定できるという効果を有する。

また、本実施形態にかかる電池２００をカプセル内視鏡用として用いる場合、カプセル内視鏡がコイル３による受電が困難な箇所を通過しても、電池２００に蓄えられた電力を用いることができるという理由により、カプセル内視鏡を正常に作動させ続けることができるという効果を有する。

なお、図８に示すように、構造体１０に電子部品６を備えて電子装置３００とした場合は、以下の電子部品６を用いることができる。

（電子部品）
電子部品６としては、集積回路素子（ＩＣ），半導体レーザー（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ），発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体素子や電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ），コンデンサ，抵抗等を用いることができる。

また、特に、電子部品６としてコンデンサを用いた場合は、コイル３による受電が不安定である場合においても、一定電力をコンデンサに蓄えることができるため、安定した電力供給に寄与することができる。

（蓋体）
蓋体４は、基体１に被着され、蓄電体５又は電子部品６を封止するためのものである。

蓋体４を構成する材料は、例えば、従来周知のセラミックスや樹脂等の誘電体、若しくは金属を用いることができる。

蓋体４と基体１との接着方法は、従来周知手法を用いることができる。例えば、ロウ材を用いて蓋体４と基体１とを接着することができる。

（ａ）は本発明の構造体の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す構造体のＸ−Ｘ’線における断面図である。 （ａ）は本発明の構造体の実施の形態の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す構造体のＹ−Ｙ’線における断面図である。 本発明の構造体に用いられるコイルの実施の形態の他の例を示す斜視図である。 本発明の構造体に用いられるコイルの実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の構造体の実施の形態の他の例を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の構造体に用いられるコイルの実施の形態の他の例を示す斜視図である。 本実施形態にかかる電池の実施の形態の一例を示す断面図である。 他の実施形態にかかる電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
２：導体
２ａ：第１導体
２ｂ：第２導体
３：コイル
４：蓋体
５：蓄電体
６：電子部品
１０：構造体
２００：電池
３００：電子装置

Claims (5)

1. 誘電体から成り、外部回路基板上に搭載するための基体と、
   前記基体の内部および表面に設けられた導体と、
   軸方向が上下方向に対し直交するとともに、前記導体と電気的に接続され、該導体に電力を供給するためのコイルと、
   を具備した構造体であって、
   前記コイルは、誘電体内部に設けられたメタライズ層から成る複数の導線が接続された一本の導線から成り、前記コイルの軸方向と直交する方向において、前記導線が同心状に複数巻回されていることを特徴とする構造体。
2. 前記コイルを複数備え、それぞれ異なる軸方向を有することを特徴とする請求項１記載の構造体。
3. 請求項１または２記載の構造体と、
   前記基体上面に搭載された蓄電体と、
   前記基体に被着され、前記蓄電体を封止するための蓋体と、
   を具備した電池。
4. 前記蓄電体は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項３に記載の電池。
5. 請求項１または２記載の構造体と、
   前記基体上面に搭載された電子部品と、
   前記基体に被着され、前記電子部品を封止するための蓋体と、
   を具備した電子装置。

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