JP5965148B2 - 無線電力伝送を用いたモバイル端末用受電モジュール及び当該モバイル端末用受電モジュールを備えたモバイル端末用充電池 - Google Patents
無線電力伝送を用いたモバイル端末用受電モジュール及び当該モバイル端末用受電モジュールを備えたモバイル端末用充電池 Download PDFInfo
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Description
第1実施形態に係るモバイル端末用受電モジュール1を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、モバイル端末用受電モジュール1は、ノート型PC4やスマートフォン5に収納されている充電池パック2に、充電池3とともに収納された状態で使用される。そして、モバイル端末用受電モジュール1は、送電シート6に組み込まれた複数の送電モジュール7と対になり、モバイル端末用受電モジュール1と送電モジュール7との間で磁気結合により誘導起電力を引き起こすように構成されている。これにより、モバイル端末用受電モジュール1は、送電モジュール7から電力を無線により受電することができる。そして、受電した電力は充電池3に充電される。この他、モバイル端末用受電モジュール1は、電磁誘導を利用したコードレスの給電や磁界共鳴を利用したコードレスの給電により充電可能な充電池を搭載したタブレット型PC、デジタルカメラ、携帯電話などにも使用することができる。
モバイル端末用受電モジュール1は、図2に示すように、充電池パック2に、充電池3に貼り付けられた状態で収納されている。そして、このモバイル端末用受電モジュール1は、基板11に導体からなるコイル12が回路パターンとして設けられたシートコイル13と、磁性粉末が分散された樹脂により形成された磁性シート14とを有した構造をしている。充電池3には、縦幅が32mm、横幅が46mm、厚みが4.5mmのリチウムイオン電池を使用している。
シートコイル13を構成する基板11には、表面及び裏面の両面に回路パターンが作成可能なフレキシブル回路基板11を使用している。本実施形態では、フレキシブル回路基板11は、図2が示すように、縦幅が32mm、横幅が46mm、厚みが30μm(厚みは12μm〜75μmでもよく、好ましくは12μm〜25μmがよい)の薄板形状(シート状)をしており、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面には、厚みが60μm(厚みは18μm〜75μmでもよく、好ましくは35μm〜50μmがよい)の銅箔が貼られた構成をしている。また、コイル12は、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面に設けられた銅箔が、後述するサブトラクティブ工法にて、渦巻き状に巻回した平面コイル状となるように加工されて形成されている。これにより、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面に形成されたコイル12は、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面から60μmほど突出した状態になっている。なお、フレキシブル回路基板11の表面に形成されたコイル12と、裏面に形成されたコイル12とは、フレキシブル回路基板11に設けられたスルーホールを介して接続されている。また、フレキシブル回路基板11の縦幅及び横幅は、充電池3に縦幅及び横幅に対応して適宜設定される。
磁性シート14の縦幅及び横幅は、基板11の縦幅及び横幅と同じ幅で形成され、縦幅が32mm、横幅が46mmである。また、磁性シート14の厚みは、370μm(厚みは、5μm〜600μmでもよく、好ましくは50μm〜500μmがよい)であり、薄膜形状をしている。磁性シート14は、図3に示すように、フレキシブル回路基板11の裏面に設けられたコイル12の導体間に設けられた隙間Bを埋めるようにコイル12の壁面に密着して接合している。
磁性シート14は、磁性粉末が分散された樹脂により形成されている。ここで使用する樹脂は、樹脂自体が充電池3への接着性を有し、長期間にわたり接着性に対する信頼性が維持できるものであれば、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂でもよい。例えば、熱硬化性樹脂であれば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ビニルエステル樹脂、シアノエステル樹脂、マレイミド樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。また、熱可塑性樹脂であれば、アクリル系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂などが挙げられる。本実施形態では、接着性に対する信頼性、絶縁性に対する信頼性の観点から、エポキシ樹脂を主成分とした混合樹脂を用いている(詳細は後述する)。特に限定されるものではないが、このエポキシ樹脂には、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂、変性ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂およびフェノキシ樹脂等を用いることができる。また、左に挙げたエポキシ樹脂は単独でも、2種類以上混ぜて使ってもよい。
また、磁性シート14は、上記樹脂中に磁性粉末が分散されている。磁性粉末には、軟磁性粉末を使用するが、本実施形態では、粒子径が106μm以下のガスアトマイズ粉(山陽特殊製)Fe-3%Siを使用している。軟磁性粉末としては、特に限定されるものではないが、純Fe、Fe-Si、Fe−Al-Si(センダスト)、Fe-Ni(パーマロイ)、ファインメット(日立金属製)、ソフトフェライト、Fe基アモルファス、Co基アモルファス、Fe-Co(パーメンジュール)などを用いることができる。
上記の構成において、図1に示すように、送電シート6の各送電モジュール7に対して電源装置8を接続して、高周波の交流電流(交流電力)が供給されると、送電モジュール7が電磁誘導により交番磁場を生成する。そして、スマートフォン5の充電池パック2に収納されたモバイル端末用受電モジュール1のコイル12が磁気結合して交番磁場と鎖交し、誘導起電力が発生する。そして、誘導起電力により形成された交流電力を整流装置において直流電力に平滑化して充電池3を充電する。この際、図4に示すように、モバイル端末用受電モジュール1は、磁気結合方向に一致する断面において、コイル12の導体間に磁性シート14が充填されて、交互に並列配置された構成をしていることによって、モバイル端末用受電モジュール1は、コイル12の隙間に磁性シート14が充填されていない場合と比較して、コイル12周辺における磁気結合にとって無効な磁界を減少させると共に、全体的な磁界の広がりを抑制することが可能になる。この結果、モバイル端末用受電モジュール1は、送電モジュール7からモバイル端末用受電モジュール1に向かう磁束密度を高めることが可能になる。これにより、モバイル端末用受電モジュール1は、送電モジュール7から高い送電効率で電力を受電することができる。
次に、モバイル端末用受電モジュール1の製造方法について説明する。
まず、シートコイル13の作成工程について説明する。表面及び裏面に銅箔が設けられたフレキシブル回路基板11に、スルーホール加工を施し、できた穴に銅メッキ加工をすることでフレキシブル回路基板11の表面及び裏面を電気的に接続する。次に、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面に設けられた銅箔部分に、渦巻き状に巻回した平面コイルとなるように、シルクスクリーン印刷などで防蝕膜となるインクや塗料を塗布して覆い(マスキング)、金属腐食性のある薬品でエッチングさせて渦巻き状に巻回した平面コイル状のコイル12を形成する(サブトラクティブ工法)。これにより、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面にコイル12が回路パターンとして設けられたシートコイル13が作成される。
次に、磁性シート14の作成工程について説明する。
まず、樹脂に分散させる軟磁性粉末に絶縁コーティングをする工程について説明する。加熱硬化型シリコーンレジン(信越化学製)KR220Lをトルエンで希釈し、固形分濃度が10wt%のシリコーンレジンワニスを作製する。次に、軟磁性粉末として、粒子径が106μm以下のガスアトマイズ粉(山陽特殊製)Fe-3%Siを用意する。このガスアトマイズ粉Fe-3%Siは、ガスアトマイズ法により、不純物が少ない軟磁性粉末として製造されている。そして、ガスアトマイズ粉Fe-3%Siを三次元的な粉体流動が可能な転動流動コーティング装置(パウレック社)を用いて、三次元的な流動をさせて、トルエンで希釈したシリコーンレジンワニスを噴霧することにより、ガスアトマイズ粉Fe-3%Siの表面にトルエンで希釈したシリコーンレジンワニスを披着させる。
次に、軟磁性粉末を分散させる樹脂の配合工程について説明する。樹脂の配合量は、エポキシ樹脂EXA-4850‐150(DIC社製)が1.34g、エポキシ樹脂EPPN‐501HY(日本化薬株式会社製)が0.57g、フェノール樹脂GS-200(群栄化学製)が0.67g、アクリルゴム(ブチルアクリレート:アクリルニトリル:グリシジルメタクリレート=85:8:7重量%からなる共重合体で、重量平均分子量80万)が105.3gとなるように容器に入れる。なお、アクリルゴムは85wt%がメチルエチルケトン(MEK)で希釈されているものを使用している。メチルエチルケトン(MEK)を使用する目的としては、材料の混合及び各種材料の溶解性を考慮して使用している。次に、混合した樹脂をディスパーにて攪拌混合し、均一に溶解されたメチルエチルケトン溶媒の混合樹脂を作成する。
上記樹脂の配合工程で作成したメチルエチルケトン溶媒の混合樹脂に、上記絶縁コーティング工程で作成した、表面がシリカ層で被覆されたガスアトマイズ粉Fe-3%Siを331重量部投入し、この混合樹脂を再びディスパーにて攪拌混合し、シリカ層で被覆されたガスアトマイズ粉Fe-3%Siを混合樹脂中に均一に分散させた。
上記磁性粉末の分散工程で作成した混合樹脂に2−メチルイミダゾール(四国化成工業製)0.1gを添加し再び、ディスパーにて攪拌混合させる。
次に、表面がシリコン処理された平板状のPETフィルムの表面に、上記硬化促進剤の配合工程で混合された混合樹脂を、アプリケータを使用して薄膜状に塗布する。なお、PETフィルムとしては、他に、ポリエステル、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート等のプラスチック製基材、およびこれら多孔質基材、グラシン紙、上質紙、和紙等の紙製基材、セルロース、ポリアミド、ポリエステル、アラミド等の不織布、銅箔、アルミニウム箔、SUS箔、ニッケル箔などの金属製フィルム基材を使用してもよい。
次に、シートコイル13と磁性シート14とを重ね合わせて上下から真空プレスする。この真空プレスでは、加圧式真空ラミネーター装置を用い、真空引きした後、温度100℃、加圧力1MPaで加圧時間1分の条件にて加圧する。なお、使用する樹脂の種類や樹脂の厚みの差異や製造環境に合わせて、加圧力0.5〜10MPa、加圧時間30秒〜10分、加熱温度50℃〜150℃(好ましくは70℃〜130℃)の範囲で調整する。
上記第1実施形態におけるモバイル端末用受電モジュール1では、コイル12の巻き数確保のために、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面の両面にコイル12を設けた構成としているが、この構成に限らず、図5に示すように、フレキシブル回路基板11の表面にだけコイル12を設けた構成としてもよい。この場合、フレキシブル回路基板11の裏面に加工する必要がないので、コストダウン及び製造工程の簡略化が図れる。
また、第1実施形態におけるモバイル端末用受電モジュール1では、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面の両面にコイル12を設けた構成にして、フレキシブル回路基板11の裏面に設けられたコイル12の導体間にできた隙間Bを埋めるように磁性シート14を充填しているが、図6に示すように、フレキシブル回路基板11の裏面に設けられたコイル12の導体間にできた隙間Bに磁性シート14を充填せずに磁性シート14をシートコイル13に貼り合わせた構成としてもよい。
また、第1実施形態におけるモバイル端末用受電モジュール1では、フレキシブル回路基板11の表面及び裏面の両面にコイル12を設けた構成にして、フレキシブル回路基板11の裏面に設けられたコイル12の導体間にできた隙間Bを埋めるように磁性シート14を充填しているだけであるが、これに限らず、図7に示すように、フレキシブル回路基板11の表面に設けられたコイル12の導体間にできた隙間Bのみを埋めるように磁性シート14を充填した構成としてもよい。ただし、磁性シート14は、フレキシブル回路基板11の表面に設けられたコイル12全体を覆う構成としてはならない。もし、磁性シート14が、フレキシブル回路基板11の表面に設けられたコイル12全体を覆ってしまうとコイル12で発生する磁束を遮蔽してしまうからである。これによれば、フレキシブル回路基板11の表面ではコイル12の導体間にできた隙間Bのみに、磁性シート14が充填されているため、送電モジュール7からモバイル端末用受電モジュール1への電力の電送効率を向上させることができる。
また、第1実施形態におけるモバイル端末用受電モジュール1では、樹脂に磁性粉末を分散させた磁性シート14を使用しているが、図8に示すように、磁性シート14において、シートコイル13と貼り合わせない側の面に主に接着剤で構成された接着層30を設けた構成としてもよい。例えば、充電池3を覆う材料の性質によっては、樹脂製の磁性シート14が貼り付かない場合があるため、より接着性を有する接着層30を設けることにより充電池3にモバイル端末用受電モジュール1を確実に接着することが可能となる。
また、第1実施形態におけるモバイル端末用受電モジュール1では、磁性シート14において、樹脂に分散させる磁性粉末に対して絶縁コーティングをしているが、絶縁コーティングをしない磁性粉末を使用してもよい。
また、磁性シート14に絶縁コーティングをしない磁性粉末を使用する場合、短絡を防止するために、図10に示すように、磁性シート14を、コイル12に密着する部分では低い透磁率を有する磁性粉末を樹脂に分散させた低透磁率層145と、コイル12に密着しない部分では低透磁率層145よりも高い透磁率を有する磁性粉末を樹脂に分散させた高透磁率層146とを有する構成にしてもよい。この場合、磁性シート14において、コイル12に密着する部分には低い透磁率を有する磁性粉末を樹脂に分散させた低透磁率層145を設けることにより、コイル12の導体間にできた隙間Bを、磁性シート14で充填したとしてもコイル12の導体間における短絡を防止することができる。一方、コイル12に密着しない部分には、低透磁率層145よりも高い透磁率を有する磁性粉末を樹脂に分散させた高透磁率層146を設けることにより、電力の電送効率を向上させることができる。
また、磁性シート14を構成する樹脂に複数種類の磁性粉末を分散させてもよい。この場合、複数種類の磁性粉末を樹脂中に均一に分散させてもよいし、図10のように、低透磁率層145と高透磁率層146とに分散させる磁性粉末の種類を分けて用いてもよい。
2 充電池パック
3 充電池
5 スマートフォン
7 送電モジュール
11 フレキシブル回路基板
12 コイル
13 シートコイル
14 磁性シート
B 隙間
Claims (9)
- 送受電モジュール間で電力を無線により伝送する無線電力伝送方式を用いたモバイル端末用受電モジュールであって、
基板に、導体からなるコイルが回路パターンとして設けられたシートコイルと、
磁性粉末が分散された樹脂により形成された磁性シートと、
を備え、
前記磁性シートは、前記コイルに密着する部分では前記樹脂に対する前記磁性粉末の濃度を低くした低濃度層と、前記コイルに密着しない部分では前記低濃度層よりも高い濃度で前記磁性粉末を前記樹脂に分散させた高濃度層とを有することを特徴とするモバイル端末用受電モジュール。 - 前記シートコイルには、前記基板の表面及び裏面に亘って前記コイルが回路パターンとして設けられており、
前記基板の裏面に設けられた前記コイルの導体間に、前記磁性シートが充填されていることを特徴とする請求項1に記載のモバイル端末用受電モジュール。 - 前記基板の表面において、前記基板の表面に設けられた前記コイルの導体間のみに、前記磁性シートが充填されていることを特徴とする請求項2に記載のモバイル端末用受電モジュール。
- 前記磁性シートは、前記基板の裏面に設けられた前記コイルを覆うように設けられていることを特徴とする請求項3に記載のモバイル端末用受電モジュール。
- 前記磁性シートは、前記樹脂に分散させる前記磁性粉末を、絶縁コーティングしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のモバイル端末用受電モジュール。
- 前記絶縁コーティングした磁性粉末の前記磁性シートに対する体積比率は、60Vol%〜90Vol%であることを特徴とする請求項5に記載のモバイル端末用受電モジュール。
- 前記磁性シートにおいて、前記磁性粉末を分散させた樹脂をBステージ状にしたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のモバイル端末用受電モジュール。
- 前記磁性シートにおいて、前記樹脂の代わりに粘着剤を使用したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のモバイル端末用受電モジュール。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載したモバイル端末用受電モジュールを備えたモバイル端末用充電池。
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