JP5209262B2 - Non-contact power transmission film - Google Patents

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Description

本発明は、電磁誘導作用を用いて電力を伝送する非接触型の電力伝送装置に属するものである。   The present invention belongs to a non-contact type power transmission device that transmits power using electromagnetic induction.

発光ダイオード、モーターなどの駆動に電力を要する装置における電力供給の技術分野においては、電気的な接点を介して電力を供給した場合に生じる電力供給の非効率化や、金属製の接点の腐食等の事態を防止するため、非接触方式の電力供給装置が開発されている。そして、そのような非接触方式の電力供給装置としては、電力の需要側(負荷装置側)に受電コイル、蓄電池を含む受電装置を設けるとともに、電力の供給側に給電コイルを有する給電装置を設け、給電コイルと受電コイルとを対向させた状態で給電コイルに電流を流して電磁誘導作用によって負荷装置を駆動させるものが知られている。また、非接触式の電力伝送装置に用いる回路部材としては、合成樹脂製の基板の上に、銅等の金属箔をエッチングあるいはプレス加工したコイルや、基板の周囲に金属線を捲回したコイル等が用いられている(特許文献1)。   In the technical field of power supply in devices that require power to drive light emitting diodes, motors, etc., inefficiency of power supply that occurs when power is supplied through electrical contacts, corrosion of metal contacts, etc. In order to prevent this situation, a non-contact power supply device has been developed. As such a contactless power supply device, a power receiving device including a power receiving coil and a storage battery is provided on the power demand side (load device side), and a power feeding device having a power feeding coil is provided on the power supply side. A device is known in which a current is passed through a power feeding coil in a state where the power feeding coil and the power receiving coil are opposed to drive the load device by electromagnetic induction. In addition, as a circuit member used for a non-contact power transmission device, a coil obtained by etching or pressing a metal foil such as copper on a synthetic resin substrate, or a coil obtained by winding a metal wire around the substrate Etc. are used (Patent Document 1).

一方、非接触方式でデータ通信を行うためのRFIDデータキャリア(ICタグ)等の技術分野においては、ポリエステルフィルム等の合成樹脂製の基材の上に導体(導電)インキをスクリーン印刷することによってコイルを積層する技術が開発されている(特許文献2)。   On the other hand, in technical fields such as RFID data carriers (IC tags) for performing data communication in a non-contact manner, conductor (conductive) ink is screen-printed on a synthetic resin substrate such as a polyester film. A technique for stacking coils has been developed (Patent Document 2).

特開2006−333557号公報JP 2006-333557 A 特開2006−320047号公報JP 2006-320047 A

しかしながら、基板上に銅等をエッチングあるいはプレス加工したコイルは、製造時に悪環境を与える(環境負荷が大きい)という不具合がある。また、基板の周囲に金属線を捲回したものは、フレキシブルに形成することができず、コンパクトな電力伝送装置の設計に寄与することができない。さらに、従来技術である合成樹脂製の基板の上に導体(導電)インキを印刷することにより形成されたコイルは、配線の抵抗が高いため、周波数が高い場合にのみコイルとして動作する。しかしながら、多くの電力を送受信するためには周波数を低くする必要があるため、従来技術で作製されたコイルは消費電力がきわめて小さいRFID通信等には利用できるものの、非接触方式による有機EL表示装置の駆動等の様な多くの電力の送受信を必要とする用途には用いることができない。   However, a coil obtained by etching or pressing copper or the like on a substrate has a problem of giving a bad environment during manufacture (high environmental load). Moreover, what wound the metal wire around the board | substrate cannot be formed flexibly, and cannot contribute to the design of a compact power transmission device. Furthermore, a coil formed by printing a conductor (conductive) ink on a synthetic resin substrate, which is a conventional technique, operates as a coil only when the frequency is high because the resistance of the wiring is high. However, since it is necessary to reduce the frequency in order to transmit and receive a large amount of power, the coil manufactured by the conventional technique can be used for RFID communication or the like with extremely low power consumption, but it is a non-contact type organic EL display device It cannot be used for applications that require transmission / reception of a large amount of power, such as driving of a power source.

本発明の目的は、上記従来の非接触電力伝送装置に用いる回路部材が有する問題点を解消し、非接触方式で電力を効率的に伝送することが可能であるとともに、製造時の環境負荷が小さく、省スペースかつフレキシブルな非接触電力伝送装置の設計に寄与することが可能で実用的な非接触電力伝送用フィルムを提供することにある。   The object of the present invention is to solve the problems of the circuit members used in the above conventional non-contact power transmission apparatus, to efficiently transmit power in a non-contact manner, and to reduce the environmental load during manufacturing. An object of the present invention is to provide a practical non-contact power transmission film that can contribute to the design of a small, space-saving and flexible non-contact power transmission device.

かかる本発明の内、請求項1に記載された発明の構成は、発信回路、電力増幅回路に接続された状態で空間へ電力放射を行なうアンテナパターンを基板上に設けた第一非接触電力伝送用フィルムと、電力消費負荷と接続された状態でその電力消費負荷へ電力を供給するアンテナパターンを基板上に設けた第二非接触電力伝送用フィルムとの間で電力の授受を行う非接触電力伝送装置において、前記第一非接触電力伝送用フィルムおよび第二非接触電力伝送用フィルムとして用いる非接触電力伝送用フィルムであって、前記基板が、ポリエチレンナフタレートによって形成されたフレキシブル基板であり、前記アンテナパターンが、そのフレキシブル基板上に、数nm〜数十nmの平均粒子径を有するナノ銀粒子を配合した体積抵抗率が数〜数十μΩ・cmのナノ銀粒子配合インクを印刷することによって形成されたものであり、かつ、ポリエステル系の熱硬化型インクからなる絶縁パターン層を積層したものであることを特徴とするものである。 Among the present inventions, the configuration of the invention described in claim 1 is the first non-contact power transmission in which an antenna pattern for radiating power to a space is provided on a substrate while being connected to a transmission circuit and a power amplification circuit. Non-contact power that transfers power between the film for use and a second non-contact power transmission film provided on the substrate with an antenna pattern that supplies power to the power consumption load while connected to the power consumption load In the transmission device, a film for contactless power transmission used as the first contactless power transmission film and the second contactless power transmission film, wherein the substrate is a flexible substrate formed of polyethylene naphthalate , The antenna pattern has a volume resistivity of several to several nanometers in which nano silver particles having an average particle diameter of several nanometers to several tens of nanometers are blended on the flexible substrate. are those formed by printing a nano-silver particle-containing ink [mu] [Omega] · cm, and is characterized in that is formed by laminating an insulating pattern layer of a thermally curable ink of polyester.

なお、本発明において、フレキシブル基材としては、PEN、ポリイミドからなる柔軟なフィルムを好適に用いることができる。また、ナノ銀インクとは、数nm〜数十nmの粒子径(平均粒子径)を有する銀のナノ粒子のことをいう。 In the present invention, a flexible film made of PEN or polyimide can be suitably used as the flexible substrate. The nano silver ink refers to silver nanoparticles having a particle diameter (average particle diameter) of several nanometers to several tens of nanometers.

本発明に記載された非接触電力伝送用フィルムは、アンテナパターン(コイル)の導電性が高く、少ない巻き数で高いインダクタンスを発現させることができるので、非接触方式で電力を効率的に伝送することが可能である。また、製造時の環境負荷が小さく、薄くかつフレキシブルに形成することができるので、非接触電力伝送装置をコンパクトに設計することが可能となる。   The non-contact power transmission film described in the present invention has high conductivity of the antenna pattern (coil), and can exhibit high inductance with a small number of turns, so that power can be efficiently transmitted in a non-contact manner. It is possible. Moreover, since the environmental load at the time of manufacture is small, and it can be formed thinly and flexibly, it becomes possible to design a non-contact power transmission apparatus compactly.

本発明に記載された非接触電力伝送用フィルムは、アンテナパターンがスクリーン印刷、グラビア印刷、もしくはインクジェットなどの印刷工法によりパターン形成されたものであるので、製造が非常に容易である。   The non-contact power transmission film described in the present invention is very easy to manufacture because the antenna pattern is formed by a printing method such as screen printing, gravure printing, or inkjet.

本発明に記載された非接触電力伝送用フィルムは、フレキシブル基材が、ポリエチレンナフタレートからなるフィルムであるため、きわめて薄くかつ非常にフレキシブルに形成することができるので、非接触電力伝送装置をきわめてコンパクトに設計することが可能となる。   In the non-contact power transmission film described in the present invention, since the flexible base material is a film made of polyethylene naphthalate, it can be formed very thin and very flexible. It becomes possible to design compactly.

以下、実施例によって本発明の非接触電力伝送用フィルムを詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。   Hereinafter, the non-contact power transmission film of the present invention will be described in detail by way of examples. Can be changed.

[実施例]
<スクリーン印刷用インクの作製>
アンテナパターン形成用としては、ナノサイズの銀粒子を含む熱反応型高導電性インク(体積抵抗率:数〜数十μΩ・cm)や低抵抗の熱硬化型ポリマー銀インク(体積抵抗率:〜数十μΩ・cm)(藤倉化成社製)を使用した。但し、要求特性に応じて、その他の金属粒子やカーボン粒子など導電性物質を含有したインクを使用してもよい。
実装回路パターン形成用としては、銅粒子を含む熱硬化型ポリマー銅インク(体積抵抗率:〜数十μΩ・cm)(アサヒ化学研究所製)を使用した。但し、要求特性やその後に実装される部品に応じて、熱硬化型ホ゜リマー銀インクなどその他の導電性インクを使用してもよい。上記の導電パターン表面の酸化防止や傷つき防止などのために、2液熱硬化型のレジストインクやオーバーコートインクを使用した。但し、フィルムが設置される状況に応じて、エポキシ系樹脂やその他のレジストコートを用いても良い。
[Example]
<Preparation of ink for screen printing>
For antenna pattern formation, heat-reactive high-conductivity ink containing nano-sized silver particles (volume resistivity: several to several tens of μΩ · cm) or low-resistance thermosetting polymer silver ink (volume resistivity: ~ Tens of μΩ · cm) (manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.) was used. However, an ink containing a conductive material such as other metal particles or carbon particles may be used according to required characteristics.
For mounting circuit pattern formation, a thermosetting polymer copper ink (volume resistivity: ˜several μΩ · cm) (made by Asahi Chemical Research Laboratory) containing copper particles was used. However, other conductive inks such as thermosetting polymer silver ink may be used according to required characteristics and components to be mounted thereafter. A two-component thermosetting resist ink or overcoat ink was used to prevent oxidation and scratching of the conductive pattern surface. However, an epoxy resin or other resist coat may be used depending on the situation where the film is installed.

<非接触電力伝送用フィルムの作製>
PEN(ポリエチレンナフタレート)からなる厚さ100μmのフィルム(基材)を180℃の雰囲気下でアニーリングした。しかる後、そのフィルムに、レーザー加工によって回路接続用のスルーホールを形成した。さらに、スルーホールを形成したフィルムの表面に、スクリーン印刷用インク(ナノ銀粒子配合インク)によって、図1の如き略正方形状のアンテナパターン(一辺の長さ=約40mm、導体の線幅=約0.25mm、導体線間=約0.2mm、巻き数=40回)をスクリーン印刷した。そして、印刷後のフィルムを170℃で熱処理することによって、フィルムの表面上にアンテナパターン層を形成した。さらに、そのアンテナパターン層上に、ポリエステル系の熱硬化型インクをスクリーン印刷し、印刷後のフィルムを170℃で熱処理することによって、アンテナパターン層上に絶縁パターン層を形成した。
<Production of non-contact power transmission film>
A 100 μm-thick film (base material) made of PEN (polyethylene naphthalate) was annealed in an atmosphere at 180 ° C. Thereafter, through holes for circuit connection were formed on the film by laser processing. Furthermore, a substantially square antenna pattern as shown in FIG. 1 (length on one side = about 40 mm, conductor line width = about) is formed on the surface of the film in which the through holes are formed by screen printing ink (ink containing silver nanoparticles). 0.25 mm, between conductor wires = about 0.2 mm, number of windings = 40 times) was screen-printed. And the antenna pattern layer was formed on the surface of a film by heat-processing the film after printing at 170 degreeC. Further, a polyester-based thermosetting ink was screen-printed on the antenna pattern layer, and the printed film was heat-treated at 170 ° C. to form an insulating pattern layer on the antenna pattern layer.

一方、フィルムの裏面に、上記したスクリーン印刷用インク(ナノ銀粒子配合インク)によって、表面側と同様なアンテナパターンをスクリーン印刷し、印刷後のフィルムを170℃で熱処理することによって、フィルムの裏面上にも、アンテナパターン層を形成した。さらに、その裏面のアンテナパターン層上に、上記した熱硬化型インクをスクリーン印刷し、印刷後のフィルムを170℃で熱処理することによって、裏面のアンテナパターン層上にも絶縁パターン層を形成した。   On the other hand, the antenna pattern similar to the surface side is screen-printed on the back surface of the film with the above-described screen printing ink (ink containing nano silver particles), and the printed film is heat-treated at 170 ° C. An antenna pattern layer was also formed thereon. Furthermore, the above-described thermosetting ink was screen-printed on the antenna pattern layer on the back surface, and the printed film was heat-treated at 170 ° C. to form an insulating pattern layer on the antenna pattern layer on the back surface.

さらに、アンテナパターン層および絶縁パターン層を形成したフィルムの表面に、溶剤中にフェノール系樹脂および銅粒子を分散させた配線パターン印刷用インク(銅粒子配合インク)をスクリーン印刷し、さらに、印刷後のフィルムを150℃で熱処理し、アンテナパターン層および絶縁パターン層上に回路部材実装用の配線パターン層を形成することによって、非接触電力伝送用フィルムを得た。   In addition, on the surface of the film on which the antenna pattern layer and the insulating pattern layer are formed, a wiring pattern printing ink (copper particle-containing ink) in which a phenolic resin and copper particles are dispersed in a solvent is screen-printed. This film was heat-treated at 150 ° C. to form a wiring pattern layer for mounting circuit members on the antenna pattern layer and the insulating pattern layer, thereby obtaining a non-contact power transmission film.

図2は、得られた非接触電力伝送用フィルムの断面の様子を示す説明図であり、非接触電力伝送用フィルム1は、フィルム(基材)2の表面に、約30μmの厚さのアンテナパターン層3aが積層されており、そのアンテナパターン層3aの上に、絶縁パターン層4a、配線パターン層5が積層されている。一方、フィルム(基材)2の裏面に、約30μmの厚さのアンテナパターン層3bが積層されており、そのアンテナパターン層3bの上に、絶縁パターン層4bが積層されている。また、フィルムの表側のアンテナパターン層3aとアンテナパターン層3bとはスルーホール6,6・・によって接続されている。なお、非接触電力伝送用フィルム1の下式1を利用した設計上のインダクタンス(L)は約110μHであり、抵抗値は約130Ωである。そして、上記の如く得られた非接触電力伝送用フィルム1の電力伝送性能を下記の方法によって評価した。
L=nR{μ(log(8R/a−2)+μ/4)}・・・1
(上式1において、aはアンテナパターンの一辺の長さであり、Rは平均半径であり、nは巻き数である。)
FIG. 2 is an explanatory view showing a cross-sectional state of the obtained non-contact power transmission film. The non-contact power transmission film 1 is an antenna having a thickness of about 30 μm on the surface of the film (base material) 2. A pattern layer 3a is laminated, and an insulating pattern layer 4a and a wiring pattern layer 5 are laminated on the antenna pattern layer 3a. On the other hand, an antenna pattern layer 3b having a thickness of about 30 μm is laminated on the back surface of the film (base material) 2, and an insulating pattern layer 4b is laminated on the antenna pattern layer 3b. Further, the antenna pattern layer 3a on the front side of the film and the antenna pattern layer 3b are connected by through holes 6, 6. The designed inductance (L) using the following formula 1 of the non-contact power transmission film 1 is about 110 μH, and the resistance value is about 130Ω. And the electric power transmission performance of the film 1 for non-contact electric power transmission obtained as mentioned above was evaluated by the following method.
L = n 2 R {μ 0 (log (8R / a−2) + μ / 4)}... 1
(In Equation 1, a is the length of one side of the antenna pattern, R is the average radius, and n is the number of turns.)

<電力伝送性能の評価>
図3の如く、得られた非接触電力伝送用フィルム1の配線パターン層5に、全波整流回路12と平滑化回路13とからなるAC−DC変換/出力部11を介して駆動負荷(LED;負荷=約1kΩ)14を接続することによって電力受信部を形成した。一方、電力受信部と同じ非接触電力伝送用フィルム1の配線パターン層5に、発振回路15と電力増幅回路16,17とからなる高周波電源部18を接続することによって電力発信部を形成した。そして、電力送信部の非接触電力伝送用フィルム1の表面のアンテナパターン層3aと、電力受信部の非接触電力伝送用フィルム1の表面のアンテナパターン層3aとを、約20mmの距離を隔てて向かい合わせ、送電アンテナへVpp=13[V]の電力を矩形波で供給した。その結果、LEDを発光させることが可能であり、約20mWの電力を送電することが可能であった。
<Evaluation of power transmission performance>
As shown in FIG. 3, a driving load (LED) is connected to the wiring pattern layer 5 of the obtained non-contact power transmission film 1 via an AC-DC conversion / output unit 11 including a full-wave rectification circuit 12 and a smoothing circuit 13. Load = about 1 kΩ) 14 was connected to form a power receiver. On the other hand, a power transmission unit was formed by connecting a high frequency power supply unit 18 including an oscillation circuit 15 and power amplification circuits 16 and 17 to the wiring pattern layer 5 of the same non-contact power transmission film 1 as the power reception unit. The antenna pattern layer 3a on the surface of the non-contact power transmission film 1 of the power transmission unit and the antenna pattern layer 3a on the surface of the non-contact power transmission film 1 of the power reception unit are separated by a distance of about 20 mm. Facing each other, power of Vpp = 13 [V] was supplied to the power transmission antenna by a rectangular wave. As a result, it was possible to cause the LED to emit light and to transmit about 20 mW of power.

[比較例]
フィルムの表裏にアンテナパターンをスクリーン印刷する際に用いるインクを、熱硬化型ポリマー銀インクに変更した以外は、実施例と同様にして非接触電力伝送用フィルムを得た(なお、フィルムの表裏に形成されたアンテナパターンの厚みは、約20μmであった)。そして、得られた非接触電力伝送用フィルムを用いて、実施例と同様に、電力伝送性能の評価を行った。しかしながら、受信側のLEDの発光を目視で確認することはできなかった。
[Comparative example]
A non-contact power transmission film was obtained in the same manner as in Example except that the ink used for screen-printing the antenna pattern on the front and back of the film was changed to thermosetting polymer silver ink (in addition, on the front and back of the film) The thickness of the formed antenna pattern was about 20 μm). Then, using the obtained non-contact power transmission film, the power transmission performance was evaluated in the same manner as in the examples. However, the light emission of the LED on the receiving side could not be confirmed visually.

上記の如く、実施例の非接触電力伝送用フィルム1は、アンテナパターン層3a,3bの導電性が高く、少ない巻き数で高いインダクタンスを発現させることができるので、非接触方式で電力を効率的に伝送することができる。また、製造時の環境負荷が小さく、薄くかつフレキシブルに形成することができるので、非接触電力伝送装置をきわめてコンパクトに設計することができる。さらに、アンテナパターン層3a,3bがスクリーン印刷されたものであるので、製造が非常に容易である。   As described above, the non-contact power transmission film 1 of the embodiment has high conductivity of the antenna pattern layers 3a and 3b, and can exhibit high inductance with a small number of turns. Can be transmitted. In addition, since the environmental load during manufacturing is small, and it can be formed thinly and flexibly, the non-contact power transmission device can be designed extremely compactly. Furthermore, since the antenna pattern layers 3a and 3b are screen-printed, manufacturing is very easy.

<非接触電力伝送用フィルムの変更例>
本発明の非接触電力伝送用フィルムの構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、基材(フィルム)、コイル(アンテナパターン層)等の形状、構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
<Example of changing non-contact power transmission film>
The configuration of the non-contact power transmission film of the present invention is not limited to the aspect of the above embodiment, and the configuration of the shape and structure of the substrate (film), the coil (antenna pattern layer), etc. It can change suitably in the range which does not deviate from the meaning of invention.

たとえば、非接触電力伝送用フィルムは、上記実施形態の如く、ベースフィルムにスルーホールを設けてベースフィルムの表裏にアンテナパターン(コイル)を三次元的に設計したものに限定されず、単なるフラットなアンテナパターンを設けたもの等に変更することも可能である。なお、上記実施形態の如く、ベースフィルムにスルーホールを設けてアンテナパターンを三次元的に設計することにより、効率的にアンテナパターンのインダクタンスを向上させることが可能となる。また、非接触電力伝送用フィルムを製造する際の製造条件、すなわち、アンテナパターン層、絶縁パターン層や配線パターンを形成した後のアニーリングの温度等も、上記実施形態の態様に限定されず、必要に応じて適宜変更することが可能である。   For example, the non-contact power transmission film is not limited to a film in which through holes are provided in the base film and antenna patterns (coils) are three-dimensionally designed on the front and back of the base film, as in the above embodiment. It is also possible to change to an antenna pattern. As in the above embodiment, by providing a through hole in the base film and designing the antenna pattern three-dimensionally, the inductance of the antenna pattern can be improved efficiently. Further, the manufacturing conditions for manufacturing the non-contact power transmission film, that is, the annealing temperature after forming the antenna pattern layer, the insulating pattern layer, and the wiring pattern are not limited to the aspect of the above embodiment, and are necessary. It is possible to change appropriately according to.

本発明の非接触電力伝送用フィルムは、上記の如く優れた効果を奏するものであるから、非接触電力伝送装置用の回路部材として好適に用いることができる。   Since the film for non-contact power transmission of the present invention exhibits excellent effects as described above, it can be suitably used as a circuit member for a non-contact power transmission device.

フィルムの上に設けるアンテナパターンの平面図(概略図)である。It is a top view (schematic diagram) of an antenna pattern provided on a film. 非接触電力伝送用フィルムの断面の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the cross section of the film for non-contact electric power transmission. 非接触電力伝送用フィルムを用いて電力伝送を行う様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that electric power transmission is performed using the film for non-contact electric power transmission.

符号の説明Explanation of symbols

1・・非接触電力伝送用フィルム
2・・フィルム(基材)
3a,3b・・・アンテナパターン層
1 .. Non-contact power transmission film 2 .. Film (base material)
3a, 3b ... Antenna pattern layer

Claims (1)

発信回路、電力増幅回路に接続された状態で空間へ電力放射を行なうアンテナパターンを基板上に設けた第一非接触電力伝送用フィルムと、電力消費負荷と接続された状態でその電力消費負荷へ電力を供給するアンテナパターンを基板上に設けた第二非接触電力伝送用フィルムとの間で電力の授受を行う非接触電力伝送装置において、前記第一非接触電力伝送用フィルムおよび第二非接触電力伝送用フィルムとして用いる非接触電力伝送用フィルムであって、
前記基板が、ポリエチレンナフタレートによって形成されたフレキシブル基板であり、
前記アンテナパターンが、そのフレキシブル基板上に、数nm〜数十nmの平均粒子径を有するナノ銀粒子を配合した体積抵抗率が数〜数十μΩ・cmのナノ銀粒子配合インクを印刷することによって形成されたものであり、かつ、ポリエステル系の熱硬化型インクからなる絶縁パターン層を積層したものであることを特徴とする非接触電力伝送用フィルム。
The first non-contact power transmission film provided on the substrate with an antenna pattern for radiating power to the space while connected to the transmitter circuit and the power amplifier circuit, and to the power consumption load while being connected to the power consumption load In the non-contact power transmission apparatus for transferring power to and from a second non-contact power transmission film provided with an antenna pattern on the substrate, the first non-contact power transmission film and the second non-contact A non-contact power transmission film used as a power transmission film,
The substrate is a flexible substrate formed of polyethylene naphthalate ,
The antenna pattern is printed on the flexible substrate with a nanosilver particle-containing ink having a volume resistivity of several to several tens of μΩ · cm in which nanosilver particles having an average particle diameter of several nanometers to several tens of nanometers are blended. A non-contact power transmission film formed by laminating an insulating pattern layer made of a polyester-based thermosetting ink .
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