(57)【要約】【課題】二次電池２３への非接触給電時に生じる誘導加熱を抑制する。【解決手段】二次コイル２２は、非接触給電装置の一次コイルから放出された磁気エネルギーを受け、電気エネルギーに変換する。二次電池２３は、二次コイル２２により変換された電気エネルギーを充電する。二次コイル２２と二次電池２３は、同一基板２１に取り付けられる。二次電池２３の少なくとも一部が、基板２１に埋め込まれている。基板２１面から二次電池２３の上端面までの高さが、基板２１面から二次コイル２２の上端面までの高さより低い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触給電装置の一次コイルから放出された磁気エネルギーを受け、電気エネルギーに変換する二次コイルと、
前記二次コイルにより変換された電気エネルギーを充電する二次電池と、を備え、
前記二次コイルと前記二次電池は、同一基板に取り付けられており、
前記二次電池の少なくとも一部が、前記基板に埋め込まれており、
前記基板面から前記二次電池の上端面までの高さが、前記基板面から前記二次コイルの上端面までの高さより低い、
非接触受電装置。
【請求項２】
前記二次電池は筒形電池であり、
前記基板は長尺形状の基板であり、長手方向の一辺に、前記筒形電池が横向きに収まる切込部を有する、
請求項１に記載の非接触受電装置。
【請求項３】
前記筒形電池の直径は、前記二次コイルの高さより長い、
請求項２に記載の非接触受電装置。
【請求項４】
前記筒形電池の正極端子および負極端子は、前記基板の前記長手方向の一辺に形成された端面正電極および端面負電極にそれぞれ接続される、
請求項２または３に記載の非接触受電装置。
【請求項５】
前記基板は、リジットフレキシブル基板であり、
前記基板のリジット領域に前記二次電池が取り付けられ、前記基板のフレキシブル領域に前記二次コイルが設置される、
請求項１から４のいずれかに記載の非接触受電装置。
【請求項６】
前記二次コイルは、プラス配線とマイナス配線の２本で、前記基板と接続される、
請求項１から４のいずれかに記載の非接触受電装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の非接触受電装置と、
前記非接触受電装置の前記二次電池から給電を受ける負荷と、
を備えるウェアラブル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電装置から電磁誘導により電力が供給される非接触受電装置、ウェアラブル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートウォッチ、スマートグラス、スマートリストバンド等のウェアラブル機器が普及してきている。ウェアラブル機器に搭載される二次電池には、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池が用いられることが多い。また当該二次電池への充電は、ウェアラブル機器にマイクロＵＳＢケーブル等の充電ケーブルを接続して行うことが多い。
【０００３】
充電ケーブルを経由した充電は、充電ケーブルの先端の端子を、ウェアラブル機器の差込口に挿入する手間が発生する。そこでウェアラブル機器の充電を非接触で行うことが考えられる。ウェアラブル機器を、ケースやクレードルに設置するだけで充電できれば、ユーザの利便性が向上する。非接触充電は、給電側機器（ケースやクレードル）の一次コイルと、受電側機器（ウェアラブル機器）の二次コイル間の電磁誘導により行われる。
【０００４】
二次電池は電極や外装缶に金属を用いているため、二次コイルの近傍に設置された二次電池には誘導加熱が発生する（二次コイルと二次電池の詳細な実装形態は開示していないが、例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０７０１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
二次電池は、定められた温度範囲内で使用される必要がある。特にリチウムイオン電池は厳格な温度管理が必要である。しかしながら、ウェアラブル機器では、二次電池を含む電源部の省スペース化が求められる。例えば、メガネ型のウェアラブル機器では電源部をフレーム内に埋め込むことが求められる。従って、二次コイルと二次電池の距離を十分に確保することが難しい。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、非接触受電装置に搭載された二次電池への非接触給電時に生じる誘導加熱を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の非接触受電装置は、非接触給電装置の一次コイルから放出された磁気エネルギーを受け、電気エネルギーに変換する二次コイルと、前記二次コイルにより変換された電気エネルギーを充電する二次電池と、を備える。前記二次コイルと前記二次電池は、同一基板に取り付けられており、前記二次電池の少なくとも一部が、前記基板に埋め込まれており、前記基板面から前記二次電池の上端面までの高さが、前記基板面から前記二次コイルの上端面までの高さより低い。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、非接触受電装置に搭載された二次電池への非接触給電時に生じる誘導加熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る、非接触給電装置及び非接触受電装置の回路構成例を示す図である。
【図２】図２（ａ）−（ｄ）は、実施例１に係る非接触受電装置のモジュール構造を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）−（ｂ）は、実施例２に係る非接触受電装置のモジュール構造を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）−（ｂ）は、実施例３に係る非接触受電装置のモジュール構造を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）−（ｂ）は、実施例４に係る非接触受電装置のモジュール構造を示す模式図である。
【図６】実施例１−４のモジュール構造を用いた非接触受電装置が搭載されたウェアラブル装置の一例を示す図である。
【図７】電子調光サングラスの機能ブロックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る、非接触給電装置１０及び非接触受電装置２０の回路構成例を示す図である。非接触給電装置１０の一次コイル１３と、非接触受電装置２０の二次コイル２２との電磁誘導により、非接触給電装置１０の給電源から非接触受電装置２０の二次電池２３にワイヤレス充電される。
【００１３】
非接触給電装置１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２、一次コイル１３、第１容量１４、レギュレータ１５、給電制御回路１６、及び第１ＦＥＴ１７を備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、入力端子１１に接続された入力電源の電圧を、設定された電圧（例えば、５．０Ｖ）に変換する。入力電圧が設定された電圧より低い場合は昇圧し、高い場合は降圧する。入力端子１１には例えば、マイクロＵＳＢケーブル／ＵＳＢケーブル、ＡＣアダプタの出力ケーブルが接続される。
【００１４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力端子は、一次コイル１３の一方の端子およびレギュレータ１５の入力端子に接続される。一次コイル１３の反対側の端子は第１ＦＥＴ１７を介してグラウンドに接続される。一次コイル１３と並列に第１容量１４が接続される。
【００１５】
レギュレータ１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧を、設定された電圧（例えば、５．０Ｖ）に安定させ、その定電圧を給電制御回路１６に供給する。給電制御回路１６は第１ＦＥＴ１７を制御して、一次コイル１３による非接触給電を制御する。具体的には給電制御回路１６は給電時、第１ＦＥＴ１７のゲート端子に高周波信号（例えば、約１００ｋＨｚ）を入力して、第１ＦＥＴ１７を高周波でスイッチングさせる。これにより、一次コイル１３を小型化することができる。また給電制御回路１６は給電時、発光ダイオード１８に電流を流すことにより発光ダイオード１８を点灯させ、給電中であることを外部に報知する。
【００１６】
非接触受電装置２０は、二次コイル２２、二次電池２３、第２容量２５、ダイオード２６、第３容量２７、充電回路２８、第２ＦＥＴ２９、受電制御回路２１０、及び保護回路２１１を備える。二次コイル２２の一方の端子は、ダイオード２６を介して充電回路２８の入力端子に接続され、二次コイル２２の反対側の端子はグラウンドに接続される。二次コイル２２は、一次コイル１３から放出された磁気エネルギーを巻数に応じた電気エネルギーに変換して出力する。
【００１７】
二次コイル２２の一方の端子とダイオード２６のアノード端子間の接続点と、グラウンドとの間に、第２容量２５及び第２ＦＥＴ２９が直列に接続される。ダイオード２６のカソード端子と充電回路２８の入力端子間の接続点と、グラウンドとの間に第３容量２７が接続される。充電回路２８の出力端子は、非接触受電装置２０の出力端子２１２と二次電池２３の正極端子に接続される。二次電池２３の負極端子は、保護回路２１１を介してグラウンドに接続される。保護回路２１１は、二次電池２３の負極端子とグラウンド間を電気的に遮断できる素子であればよく、例えばリレーやＦＥＴを用いることができる。
【００１８】
充電回路２８は、二次コイル２２から出力される直流電力を、定電圧（ＣＶ）または定電流（ＣＣ）で二次電池２３に充電する。なお、高温異常、低温異常が発生した際は、充電回路２８は動作を停止して、二次電池２３を保護する。出力端子２１２には負荷が接続される。負荷の例として、センサ、制御回路、駆動回路、ＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）に準拠した通信回路などが挙げられる。これらの負荷は、二次電池２３から供給される電圧をもとに動作する。
【００１９】
受電制御回路２１０は第２ＦＥＴ２９を制御して、二次コイル２２による非接触受電を制御する。具体的には受電制御回路２１０は受電時、第２ＦＥＴ２９のゲート端子に高周波信号を入力して、第２ＦＥＴ２９を高周波でスイッチングさせる。これにより、二次コイル２２を小型化することができる。また受電制御回路２１０は、二次電池２３の過電圧、過小電圧、過電流などが発生した際、保護回路２１１を遮断状態に制御して、二次電池２３を保護する。
【００２０】
二次電池２３には、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などを使用することができる。本明細書ではリチウムイオン電池を使用する例を想定する。また二次電池２３に、小型の円筒形電池を使用する例を想定する。当該円筒形電池は、直径５．０ｍｍ以下、長さ３０ｍｍ以下の円筒形電池であり、ピン形電池ともいう。以下、小型の円筒形電池と二次コイル２２を同一基板に実装する場合の実装方法について説明する。
【００２１】
（実施例１）
図２（ａ）−（ｄ）は、実施例１に係る非接触受電装置２０のモジュール構造を示す模式図である。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は上面斜視図、図２（ｄ）は底面斜視図である。本モジュール構造では、長尺形状の小型の基板２１を使用する。より具体的には、長さ５０．０ｍｍ以下、幅１０．０ｍｍ以下、厚さ１．５ｍｍ以下の基板を使用する。基板２１の長手方向のどちらかの先端部分に、二次コイル２２が設置される。図２（ａ）−（ｄ）に示す二次コイル２２は、アルファ巻きにより二層で構成されている。二層化することにより、二次コイル２２の直径を、基板２１の幅より短くしている。二次コイル２２の直径を短くするために、更に多層化してもよい。この場合、二次コイル２２の高さが高くなるが、二次電池２３との高さ関係は、基板厚を調整することで、最適なモジュール高さに設定することができる。
【００２２】
基板２１の長手方向の一辺に、二次電池２３が横向きに収まる切込部が設けられている。当該切込部の面積は、二次電池２３の直径×長さの面積に対応している。当該切込部の位置は、二次コイル２２の設置位置から、できるだけ離れた位置に設けられることが好ましい。
【００２３】
基板２１のおもて面には、二次コイル２２及び二次電池２３以外に、複数の電子部品２４ａ−２４ｃが設置される。複数の電子部品２４ａ−２４ｃはそれぞれ、パッケージ化されたＩＣチップである。なお図２（ａ）−（ｄ）は、電子部品間のプリント配線、ＩＣチップ以外のディスクリート部品は省略して描いている。図１の二次コイル２２及び二次電池２３以外の電子部品のそれぞれは、ＩＣチップ化されて、又はディスクリート部品として基板２１に実装される。基板２１の裏面には、二次電池２３の正極端子２３ａと接合される正電極２１ａと、二次電池２３の負極端子２３ｂと接合される負電極２１ｂが形成される。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、基板２１の底面から二次電池２３の上端面までの高さｈ２は、基板２１の底面から二次コイル２２の上端面までの高さｈ１より低く構成されている。二次電池２３単体と二次コイル２２単体を比較すると、二次電池２３の横向きの高さ（二次電池２３の直径）が、二次コイル２２の高さより高くなる。これに対して二次電池２３と二次コイル２２を基板２１に実装した状態では、二次電池２３が基板２１の切込部に嵌め込まれることにより、二次電池２３の少なくとも一部が基板２１に埋まる。この状態では、二次電池２３の直径の値である高さｈ２が、二次コイル２２単体の高さに基板２１の厚みを加えた値である高さｈ１より低くなる。基板２１の上面から露出している部分の二次電池２３の高さが、二次コイル２２単体の高さより低くなると考えてもよい。
【００２５】
以上説明したように実施例１によれば、二次電池２３を基板２１に埋め込む構造とすることで、非接触受電装置２０を小型・薄型化することができる。また、基板２１の上面からの二次電池２３の高さが低くなる。これにより、非接触給電装置１０に実装された一次コイル１３と、非接触受電装置２０に実装された二次電池２３との距離を離すことができ、非接触給電時に生じる二次電池２３の誘導加熱を抑制することができる。
【００２６】
（実施例２）
図３（ａ）−（ｂ）は、実施例２に係る非接触受電装置２０のモジュール構造を示す模式図である。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は側面図である。本モジュール構造では、基板２１をリジットフレキシブル基板で構成し、基板２１のリジット領域２１ｒに二次電池２３を取り付け、基板２１のフレキシブル領域２１ｆに二次コイル２２を設置する。この構造では、フレキシブル領域２１ｆのリジット領域２１ｒに対する高さを調整することができるため、二次コイル２２のリジット領域２１ｒの上面からの高さも容易に調整することができる。二次コイル２２のリジット領域２１ｒに対する高さを高く設計するほど、二次コイル２２の上端面と二次電池２３の上端面との距離を拡大させることができる。これによれば、非接触給電装置１０に実装された一次コイル１３と、非接触受電装置２０に実装された二次電池２３との距離も拡大し、非接触給電時に生じる二次電池２３の誘導加熱をさらに抑制することができる。
【００２７】
（実施例３）
図４（ａ）−（ｂ）は、実施例３に係る非接触受電装置２０のモジュール構造を示す模式図である。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図である。本モジュール構造では、基板２１の正電極２１ａと負電極２１ｂを、基板２１の切込部が設けられている側の側面に端面電極として構成する。この構造では、基板２１の裏面に正電極２１ａと負電極２１ｂのパッドを設ける必要がないため、基板２１の裏面に電子部品を実装可能な面積を増やすことができる。また両面実装も容易になる。また基板２１の底面より低い位置まで、二次電池２３を沈み込ませることも容易になる。この場合、非接触給電装置１０に実装された一次コイル１３と、非接触受電装置２０に実装された二次電池２３との距離がさらに拡大し、非接触給電時に生じる二次電池２３の誘導加熱をさらに抑制することができる。
【００２８】
（実施例４）
図５（ａ）−（ｂ）は、実施例４に係る非接触受電装置２０のモジュール構造を示す模式図である。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は側面図である。本モジュール構造では、基板２１に二次コイル２２がプラス配線２２ａとマイナス配線２２ｂの２本で接続される。この構成では、非接触受電装置２０が搭載されるアプリケーション機器の形状に応じて、二次コイル２２の位置を柔軟に設定することができる。
【００２９】
図６は、実施例１−４のモジュール構造を用いた非接触受電装置２０が搭載されたウェアラブル装置の一例を示す図である。図６に示すウェアラブル装置は、電子調光サングラス３０である。電子調光サングラス３０は、自動的にレンズの濃度が変わるサングラスである。電子調光サングラス３０は、左右の液晶レンズ３０ａ、３０ｂとフレーム３０ｆを備える。フレーム３０ｆ内に、左右の液晶レンズ３０ａ、３０ｂを駆動するための制御駆動装置４０と、電源装置としての非接触受電装置２０が埋め込まれている。
【００３０】
図７は、電子調光サングラス３０の機能ブロックを示す図である。電子調光サングラス３０は、左右の液晶レンズ３０ａ、３０ｂ、制御駆動装置４０、電源装置（非接触受電装置２０）、照度センサ４１（図６には不図示）、及び操作部４２（図６には不図示）を備える。電源装置は、制御駆動装置４０に電源電圧（例えば、３〜５Ｖ）を供給する。
【００３１】
照度センサ４１は、電子調光サングラス３０の周囲光の強度を検出し、制御駆動装置４０に出力する。制御駆動装置４０は、検出された光の強度に応じて、左右の液晶レンズ３０ａ、３０ｂの濃度を調整する。液晶分子は印加電圧に応じて配向が変わるため、制御駆動装置４０から液晶レンズ３０ａ、３０ｂに印加する電圧を調整することにより、液晶レンズ３０ａ、３０ｂの濃度を調整することができる。なお、ユーザが操作部４２から液晶レンズ３０ａ、３０ｂの濃度を指定することもできる。
【００３２】
本実施の形態に係る非接触受電装置２０は、小型で軽量なものが要求されるウェアラブル装置の電源装置に適している。特に、実施例１−４に示した５０．０×１０．０ｍｍ以下のサイズで構成される非接触受電装置２０は、メガネのフレームにデザイン性を損なわずに埋め込むことができる。さらに、メガネケース内に非接触給電装置１０を実装すれば、メガネをケースに入れただけで充電が可能となる。
【００３３】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３４】
実施例１−４では、基板２１の長手方向の一辺に切込部を設ける例を説明した。この点、切込部の代わりに、二次電池２３全体を横向きに嵌め込む矩形孔を設けてもよい。また切込部および矩形孔の代わりに、基板２１を貫通しない窪みが設けられてもよい。当該窪みに二次電池２３を設置することによっても、基板２１の底面から二次電池２３の上端面までの高さは低くなる。
【００３５】
また実施例１−４では、小型の円筒形電池を使用する例を説明したが、多角形の筒形電池を使用してもよい。なお本実施の形態に係る非接触受電装置２０は、角形電池、又はボタン形電池を使用してもよい。
【００３６】
角形電池、又はボタン形電池を使用する場合、基板２１の切込部の形状をコの字型ではなく、Ｌ字型にしてもよい。角形電池は片側に正極端子と負極端子が並べて設けられる。角形電池が軽量な場合、Ｌ字型の切込部のどちらか１辺に正電極２１ａと負電極２１ｂを並べて配置し、１辺の接触により角形電池を保持することができる。
【００３７】
ボタン電池は表面と裏面の一方に正極端子が設けられ、他方に負極端子が設けられることが多い。ボタン形電池は、基板２１の表面と裏面の一方に配置された正電極２１ａと、他方に配置された負電極２１ｂにより上下から挟み込まれるように保持される。従って切込部の形状は、Ｌ字型でもコの字型でもよい。なお、円筒形電池は基本的に、コの字型の切込部の対向する２辺で挟み込むように保持される。
【００３８】
また本実施の形態に係る非接触受電装置２０は、ウェアラブル装置に搭載される例に限るものではなく、センサと通信回路を備えるＩｏＴ機器への搭載にも適している。
【００３９】
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
【００４０】
［項目１］
非接触給電装置（１０）の一次コイル（１３）から放出された磁気エネルギーを受け、電気エネルギーに変換する二次コイル（２２）と、
前記二次コイル（２２）により変換された電気エネルギーを充電する二次電池（２３）と、を備え、
前記二次コイル（２２）と前記二次電池（２３）は、同一基板（２１）に取り付けられており、
前記二次電池（２３）の少なくとも一部が、前記基板（２１）に埋め込まれており、
前記基板（２１）面から前記二次電池（２３）の上端面までの高さが、前記基板（２１）面から前記二次コイル（２２）の上端面までの高さより低い、
非接触受電装置（２０）。
これによれば、一次コイル（１３）と二次電池（２３）の距離を離すことができ、非接触給電時に二次電池（２３）に発生する誘導加熱を抑制することができる。
［項目２］
前記二次電池（２３）は筒形電池（２３）であり、
前記基板（２１）は長尺形状の基板（２１）であり、長手方向の一辺に、前記筒形電池（２３）が横向きに収まる切込部を有する、
項目１に記載の非接触受電装置（２０）。
これによれば、小型で長尺形状の非接触受電装置（２０）を構成することができる。
［項目３］
前記筒形電池（２３）の直径は、前記二次コイル（２２）の高さより長い、
項目２に記載の非接触受電装置（２０）。
これによれば、筒形電池（２３）の直径が二次コイル（２２）の高さより長い場合でも、筒形電池（２３）を基板（２１）に埋め込むことにより、筒形電池（２３）の上端面を二次コイル（２２）の上端面より低くすることができる。
［項目４］
前記筒形電池（２３）の正極端子（２３ａ）および負極端子（２３ｂ）は、前記基板（２１）の前記長手方向の一辺に形成された端面正電極（２１ａ）および端面負電極（２１ｂ）にそれぞれ接続される、
項目２または３に記載の非接触受電装置（２０）。
これによれば、基板（２１）の裏面の実装スペースを増やすことができる。
［項目５］
前記基板（２１）は、リジットフレキシブル基板であり、
前記基板（２１）のリジット領域（２１ｒ）に前記二次電池（２３）が取り付けられ、前記基板（２１）のフレキシブル領域（２１ｆ）に前記二次コイル（２２）が設置される、
項目１から４のいずれかに記載の非接触受電装置（２０）。
これによれば、二次電池（２３）の高さと二次コイル（２２）の高さの相対的な関係を柔軟に調整することができる。
［項目６］
前記二次コイル（２２）は、プラス配線（２２ａ）とマイナス配線（２２ｂ）の２本で、前記基板（２１）と接続される、
項目１から４のいずれかに記載の非接触受電装置（２０）。
これによれば、二次コイル（２２）の設置位置を柔軟に設定することができる。
［項目７］
項目１から６のいずれかに記載の非接触受電装置（２０）と、
前記非接触受電装置（２０）の二次電池（２３）から給電を受ける負荷（４０）と、
を備えるウェアラブル装置（３０）。
これによれば、非接触給電時に二次電池（２３）に発生する誘導加熱が抑制されたウェアラブル装置（３０）を構築することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  非接触給電装置、  １１  入力端子、  １２  ＤＣ−ＤＣコンバータ、  １３  一次コイル、  １４，２５，２７  容量、  １５  レギュレータ、  １６  給電制御回路、  １７  第１ＦＥＴ、  １８  発光ダイオード、  ２０  非接触受電装置、  ２１  基板、  ２１ａ  正電極、  ２１ｂ  負電極、  ２１ｒ  リジット領域、  ２１ｆ  フレキシブル領域、  ２２  二次コイル、  ２２ａ  プラス配線、  ２２ｂ  マイナス配線、  ２３  二次電池、  ２３ａ  正極端子、  ２３ｂ  負極端子、  ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ  電子部品、  ２６  ダイオード、  ２８  充電回路、  ２９  第２ＦＥＴ、  ３０  電子調光サングラス、  ３０ａ，３０ｂ  液晶レンズ、  ３０ｆ  フレーム、  ４０  制御駆動装置、  ４１  照度センサ、  ４２  操作部、  ２１０  受電制御回路、  ２１１  保護回路、  ２１２  出力端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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