三維無線充電線圈的制造方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維無線充電線圈的制造方法與裝置。在添加非金屬，利用窄脈寬、高重復(fù)頻率、高峰值功率的復(fù)頻率下達(dá)到極高的峰值功率，進(jìn)而可以使得樹脂表面指定區(qū)域內(nèi)的材料特性發(fā)生改變，從而完成傳統(tǒng)工藝無法完成的設(shè)計(jì)方案。通過激光鐳雕的方法，可以在任意的三維曲面上進(jìn)行線圈的加工，使得線圈完全擬合在三維工件表面，并通過內(nèi)外線圈擬合的方法增大磁通量，使得充效率進(jìn)一步提高。通過這種方法，可以省去一般無線充電中的銅線圈及FPC的粘貼，使得厚度進(jìn)一步降低。并且該方案自動(dòng)化水平很高，三維圖紙通過ProE繪制后，將三維模型直接通過軟件進(jìn)行讀取即可直接加工，降低了對(duì)操作人員的技術(shù)水平；其加工精度完全取決于設(shè)備及工裝的加工精度，使得產(chǎn)品精度進(jìn)一步得到保證。
【專利說明】三維無線充電線圈的制造方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維無線充電線圈的制造方法與裝置，將非金屬光誘導(dǎo)催化劑添加在普通塑料中并在激光的照射下，通過化學(xué)鍍和電鍍的配合，在塑料表面及內(nèi)部形成大電流導(dǎo)體層，利用該特定導(dǎo)體層，最終得到三維立體無線線圈。
【背景技術(shù)】
[0002]無線充電技術(shù)，利用電磁波在充電器原邊與被充電設(shè)備副邊之間傳輸電能，通過共振實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。傳統(tǒng)的無線充電線圈都是采用銅線圈或者FPC (FlexiblePrinted Circuit)作為載體,但是這種載體更多只能在二維平面上使用，在三維曲面上使用就會(huì)受到限制，而且還會(huì)增加整體結(jié)構(gòu)的厚度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是提供一種三維無線充電線圈的制造方法與裝置，它是全新的在塑膠材料內(nèi)部制造的三維無線充電線圈的方法與裝置，使得經(jīng)過激光雕刻的塑料表面改性并形成凹坑，并通過化學(xué)鍍和電鍍的方法將這些凹坑填平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線充電線圈的功能。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)磁通相互疊加的三維鑲嵌在塑膠材料內(nèi)部，比普通銅絲線圈或者FPC的三維擬合性更好，比普通三維表面的無線充電線圈電阻更小，電感值更高，充電效率可以提高30%以上。
[0004]本發(fā)明提供一種用于在塑膠材料內(nèi)部制造三維無線充電線圈的方法包括如下步驟:
1)將普通塑膠粒子(PC、ABS、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇)摻雜含有醛類(一元、二元、三元醒)和醇類(固態(tài)或液態(tài)的一元、二元或三元醇)的一種或者兩種非金屬光誘導(dǎo)催化齊U，使用注塑機(jī)注塑成無線充電線圈的組件；
2)將需要制作無線充電線圈的組件平置于可旋轉(zhuǎn)角度的三維工裝上，通過0°和180°翻轉(zhuǎn)確定機(jī)械Z軸高度；利用三維繪圖軟件ProE將改性表面曲面圖紙繪制后輸入計(jì)算機(jī)；
3)由計(jì)算機(jī)輸出激光輸出功率信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)輸出機(jī)械Z軸升降信號(hào)，及f-theta透鏡下方的三維卡具的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，使其達(dá)到初始掃描角度及高度；
4)利用激光器控制激光器輸出激光控制信號(hào)，控制條件:激光器輸出波長355nm至1064nm,脈沖寬度Ins到500ns的高重復(fù)頻率的脈沖激光，功率0.1ff到50W，頻率IKHz到IOOOKHz ；
5)利用計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，通過動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，調(diào)整光路系統(tǒng)的聚焦焦距長度，控制掃描鏡組配合動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，使得激光焦點(diǎn)可以在三維空間任意位置聚焦；在被加工物體表面完成一條路徑的加工。加工完成后，由計(jì)算機(jī)控制激光器關(guān)閉激光。重復(fù)以上各步操作直至在被加工零件表面完成所有的路徑加工。
[0005]6)根據(jù)線圈形狀，激光焦點(diǎn)通過逐層掃描的方式將塑膠粒子層層氣化，最終形成0.1毫米至I毫米不同深度的凹槽，并同氧氣結(jié)合將凹槽側(cè)壁及底面材料的催化劑改性；
7)化學(xué)鍍銅，在pH值12，溫度60°C ;無水硫酸銅10g/L ;酒石酸鉀鈉40g/L ;乙二胺四乙酸二鈉12g/L ;亞鐵氰化鉀32mg/L ;聯(lián)吡啶0.04g/L的配方溶液中進(jìn)行鍍銅，輔助空氣攪拌；鍍銅的速率為4微米/小時(shí)。在這種條件下在側(cè)壁及底面鍍上一層薄銅，厚度10微米。
[0006]8)電鍍厚銅,在溫度25°C;無水硫酸銅70g/L ;硫酸200 g/L ;氯離子60ppm ;鍍銅添加劑GT-100 14ml/L將凹槽里面全部鍍上厚銅，時(shí)間3小時(shí)，厚度0.1毫米。
[0007]9)電鍍鎳，為了防止銅層氧化，需要在銅層表面鍍上一層鎳。在pH值5，溫度85°C，硫酸鎳27g/L ;次磷酸鈉24g/L ;醋酸鈉15g/L ;乳酸30g/L ;檸檬酸4g/L ;十二烷基硫酸鈉lg/L。鍍鎳時(shí)間為15分鐘，厚度2微米。
[0008]可選地，脈沖寬度在4ns至200ns可調(diào)，重復(fù)頻率1.6K至1000K可調(diào)，平均功率為O至50W可調(diào)。
[0009]可選地，所述的醛和醇是2-甲基丙醛、1，2，3-三羥基丙醇。
[0010]所述的非金屬光誘導(dǎo)催化劑的質(zhì)量含量5-10%。
[0011]本發(fā)明提供了一種三維無線充電線圈的制造方法與裝置，將非金屬光誘導(dǎo)催化劑添加在普通塑料中，并在激光的照射下，通過化學(xué)鍍和電鍍的配合，在塑料表面及內(nèi)部形成大電流導(dǎo)體層，利用該特定導(dǎo)體層，最終得到三維立體無線線圈。具體講，通過在普通(PC、ABS、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇)塑膠粒子內(nèi)部添加非金屬光誘導(dǎo)催化劑，通過激光雕刻在塑膠材料內(nèi)外表面雕刻出0.1毫米以上的凹槽，且兩側(cè)凹槽的旋轉(zhuǎn)方向相反，并通過中心過孔導(dǎo)通；激光在氧氣的作用下將催化劑內(nèi)部的羥基及醛基轉(zhuǎn)換為羧基形成有機(jī)酸，再將羧基與堿性溶液反應(yīng)后生成羧基陰離子，再將其余金屬離子M+反應(yīng)生產(chǎn)絡(luò)合物，并均勻分布在材料表面；再通過置換反應(yīng)在表面形成金屬膜，然后利用電鍍的方法將凹槽內(nèi)部鍍滿銅，最后表面鍍鎳、鍍金，防止線圈氧化，并減少接觸電阻。通過此方法可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)磁通相互疊加的三維鑲嵌在塑膠材料內(nèi)部，比普通銅絲線圈或者FPC的三維擬合性更好，比普通三維表面的無線充電線圈電阻更小，電感值更高，充電效率可以提高30%以上。
[0012]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明塑膠材料內(nèi)部制造三維無線充電線圈裝置的光路圖。
[0014]圖2為三維無線充電線圈正面圖形。
[0015]圖3為三維無線充電線圈背面圖形。
[0016]圖4為計(jì)算機(jī)控制的流程圖。
[0017]圖5為升降機(jī)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件以及手冊(cè)中所述的條件，或按照制造廠商所建議的條件。本發(fā)明使用的激光器為光纖激光器(Max photonicsMFP-50);動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)為Cambridge Technology CTI 3D動(dòng)態(tài)聚焦光學(xué)掃描系統(tǒng)。掃描鏡組為 Cambridge Technology CTI6870 掃描儀鏡組；f-theta 透鏡為 R0DENST0CK f 160 激光場(chǎng)鏡激光場(chǎng)鏡。
[0019]如圖所示，1、激光器2、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)3、掃描鏡組4、f-theta透鏡5、三維旋轉(zhuǎn)置具。6、光學(xué)箱7、光杠8、軸承9、絲杠導(dǎo)軌10、伺服電機(jī)11、機(jī)械Z軸。
[0020]激光器1、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)2、掃描鏡組3、f_theta透鏡4、和三維旋轉(zhuǎn)置具5、按照光路依次連接和排列。
[0021]激光器射出的光，經(jīng)過動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)調(diào)整焦距后，入射到掃描鏡組里面，通過兩次反射后經(jīng)過f-theta透鏡進(jìn)行聚焦，激光焦點(diǎn)最后落在被掃描無線充電線圈區(qū)域。
[0022]激光器1:用于產(chǎn)生波長可選擇、脈沖寬度可調(diào)、重復(fù)頻率可調(diào)、功率可調(diào)的激光束，用以在塑膠材料表面加工出凹槽，并將側(cè)面和底面的材料催化改性；
動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)2:通過調(diào)整發(fā)散透鏡和聚焦透鏡的距離，使得激光束的發(fā)散角度改變，進(jìn)而可以配合f-theta透鏡，是其聚焦焦距發(fā)生改變，最終實(shí)現(xiàn)三維表面的聚焦；
掃描鏡組3:利用計(jì)算機(jī)信號(hào)，控制其中的兩個(gè)反射就振鏡偏轉(zhuǎn)不同的角度，使得激光焦點(diǎn)可以反射到二維平面的任意位置；
F-theta透鏡4:使用四組球面鏡，將不同角度入射的激光束平場(chǎng)并聚焦，使得激光束可以在空間三維任意位置進(jìn)行聚焦；
三維旋轉(zhuǎn)置具5:利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)，控制電機(jī)帶動(dòng)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過拼接的方法將所有需要激光雕刻的位置，旋轉(zhuǎn)到可加工區(qū)域；
圖4為計(jì)算機(jī)控制的流程圖。
[0023]升降機(jī)構(gòu)(如圖5):利用自動(dòng)聚焦系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)整體的光學(xué)聚焦系統(tǒng)上下升降，可以使得激光的初始焦點(diǎn)位置到達(dá)加工平面，這樣可以進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)械Z軸的加工范圍。
[0024]通用型化學(xué)鍍裝置:用于將鐳雕改性后的材料表面鍍上薄銅；
通用型電鍍裝置:用于在薄銅表面繼續(xù)電鍍出厚銅，直至將凹槽完全填平。
[0025]該激光裝置包括:激光器、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)、掃描鏡組、f-theta聚焦鏡及三維旋轉(zhuǎn)置具。通過激光器產(chǎn)生波長355nm至1064nm的激光，其脈沖寬度在4ns至200ns可調(diào)，重復(fù)頻率1.6K至1000K可調(diào)，平均功率為O至50W可調(diào)；
應(yīng)用實(shí)施例
內(nèi)外雙側(cè)無線充電線圈制作實(shí)例
將普通PC塑膠粒子(可選ABS、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇)在注塑過程中加入質(zhì)量總量為2%的2-甲基丙醛和3%的1，2，3-三羥基丙醇，使用通用的注塑機(jī)注塑手機(jī)背蓋；將需要制作無線充電線圈的手機(jī)背殼平置在可旋轉(zhuǎn)角度的三維工裝上，通過0°和180°翻轉(zhuǎn)確定機(jī)械Z軸高度，利用三維繪圖軟件ProE將改性表面曲面圖紙繪制后輸入計(jì)算機(jī)；利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械Z軸升降信號(hào)，及f-theta透鏡下方的三維卡具的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，使其達(dá)到初始掃描角度及高度；控制激光器輸出波長1064nm，脈沖寬度20ns，平均功率6W，頻率ΙΟΟΚΗζ，脈沖寬度IOOns的高重復(fù)頻率的脈沖激光，通過動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，調(diào)整光路系統(tǒng)的聚焦焦距長度，通過平面掃描的方式將0.2_內(nèi)的材料氣化，按照0.2_為一個(gè)下降單位，重復(fù)5個(gè)循環(huán)進(jìn)行掃描加工，整體加工深度達(dá)到1mm。
[0026]掃描鏡組配合動(dòng)態(tài)聚焦鏡，利用兩個(gè)反射鏡的翻轉(zhuǎn)角度變化，可以完成激光焦點(diǎn)在水平平面和垂直平面的快速移動(dòng)，從而在被加工物體表面完成一條路徑的加工。加工完成后，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，使得激光器關(guān)閉激光。重復(fù)以上各步操作直至在被加工零件表面完成所有的路徑加工。
[0027]其正反面無線充電線圈的形狀如圖所示，其中圖2為其正面圖形，圖3為其背面圖形，通過中間過孔導(dǎo)通，由于電流方向一致按照統(tǒng)一方向旋轉(zhuǎn)，所以可以通過反正兩面實(shí)現(xiàn)磁通的增強(qiáng)。
[0028]然后進(jìn)行化學(xué)鍍銅:鍍銅液配方:pH = 12,溫度60°C ;無水硫酸銅12g/L ;酒石酸鉀鈉43g/L ;乙二胺四乙酸二鈉14g/L ;甲醒(37% ) 21ml/L ;亞鐵氰化鉀36mg/L ;聯(lián)批啶0.06g/L ;氫氧化鈉調(diào)pH值；空氣攪拌?；瘜W(xué)鍍銅時(shí)間為220分鐘。鍍銅層厚度為:11微米。再進(jìn)行電鍍厚銅，在溫度25°C;無水硫酸銅70g/L ;硫酸200 g/L ;氯離子60ppm ;鍍銅添加劑GT-100 14ml/L電鍍3小時(shí)，厚度0.1毫米，將銅層厚度與鐳雕形成的凹坑高度一致。再進(jìn)行中磷化學(xué)鍍鎳:鍍鎳液配方:pH = 4.8-5.0，溫度84-86°C，硫酸鎳27g/L ;次磷酸鈉24g/L ;醋酸鈉15g/L ;乳酸30g/L ;檸檬酸4g/L ;十二烷基硫酸鈉lg/L。鍍鎳層的厚度為2微米。鍍鎳時(shí)間為15分鐘。
[0029]通過這種方式制作出的無線充電線圈，利用電壓表和電流表，測(cè)試輸入電壓、輸入電流和輸出電壓、輸出電流，計(jì)算出輸入和輸出功率，同時(shí)計(jì)算出在不同電流下測(cè)試的無線充電效率如表1所示:
表1不同電流下無線充電效率測(cè)試表
【權(quán)利要求】
1.一種三維無線充電線圈的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)將普通塑膠粒子摻雜含有醛類或醇類的一種或者兩種非金屬光誘導(dǎo)催化劑，使用注塑機(jī)注塑成無線充電線圈的組件； 2)將需要制作無線充電線圈的組件平置于可旋轉(zhuǎn)角度的三維工裝上，通過零度和180度翻轉(zhuǎn)確定兩側(cè)機(jī)械Z軸高度；利用三維繪圖軟件ProE將改性表面曲面圖紙繪制后輸入計(jì)算機(jī)； 3)由計(jì)算機(jī)輸出激光輸出功率信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)輸出機(jī)械Z軸升降信號(hào)，及f-theta透鏡下方的三維卡具的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，使其達(dá)到初始掃描角度及高度； 4)利用激光器控制激光器輸出激光控制信號(hào)，控制條件:激光器輸出波長355nm至1064nm,脈沖寬度Ins到500ns的高重復(fù)頻率的脈沖激光，功率0.1ff到50W，頻率IKHz到1000KHz ； 5)利用計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，通過動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，調(diào)整光路系統(tǒng)的聚焦焦距長度，控制掃描鏡組配合動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，使得激光焦點(diǎn)可以在三維空間任意位置聚焦；在被加工物體表面完成一條路徑的加工；加工完成后，由計(jì)算機(jī)控制激光器關(guān)閉激光；重復(fù)以上各步操作直至在被加工零件表面完成所有的路徑加工； 6)根據(jù)線圈形狀，激光焦點(diǎn)通過逐層掃描的方式將塑膠粒子層層氣化，最終形成0.1毫米至I毫米不同深度的凹槽，并同氧氣結(jié)合將凹槽側(cè)壁及底面材料的催化劑改性； 7)化學(xué)鍍銅； 8)電鍍厚銅； 9)電鍍鎳。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的塑膠粒子為PC、ABS、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的醛類為一元、二元、三元醛；所述的醇類為一元、二元或三元醇。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的控制條件:脈沖寬度在4ns至200ns，重復(fù)頻率1.6K至1000K，平均功率為O至50W。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的醛和醇分別是2-甲基丙醛、1，2，3_三羥基丙醇。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的非金屬光誘導(dǎo)催化劑的質(zhì)量含量為5-10%。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的化學(xué)鍍銅條件:在pH值12，溫度60°C ;無水硫酸銅10g/L ;酒石酸鉀鈉40g/L ;乙二胺四乙酸二鈉12g/L ;亞鐵氰化鉀32mg/L ;聯(lián)吡啶0.04g/L的配方溶液中進(jìn)行鍍銅，輔助空氣攪拌；鍍銅的速率為4微米/小時(shí)，在這種條件下在側(cè)壁及底面鍍上一層薄銅，厚度10微米。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的電鍍厚銅條件:在溫度25°C;無水硫酸銅70g/L ;硫酸200 g/L ;氯離子60ppm ;鍍銅添加劑GT-100 14ml/L將凹槽里面全部鍍上厚銅，時(shí)間3小時(shí)，厚度0.1毫米。
9.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的電鍍鎳條件:在PH值5，溫度85°C；電鍍鎳溶液:硫酸鎳27g/L，次磷酸鈉24g/L，醋酸鈉15g/L，乳酸30g/L，檸檬酸4g/L，十二烷基硫酸鈉lg/L ;鍍鎳時(shí)間為15分鐘，厚度2微米。
10.權(quán)利要求1所述的方法使用的裝置，其特征在于包括激光器、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)、 掃描鏡組、f-the ta透鏡和三維旋轉(zhuǎn)置具，它們按照光路依次連接和排列。
【文檔編號(hào)】H01F41/04GK103985536SQ201410170917
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】劉冬生, 王萌 申請(qǐng)人:訊創(chuàng)(天津)電子有限公司, 王萌, 劉冬生