JP2004047700A

JP2004047700A - 非接触充電器用平面磁気素子

Info

Publication number: JP2004047700A
Application number: JP2002202513A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kohiki; 小日置　英明; Yasutaka Fukuda; 福田　泰隆; Kazuhiko Echizenya; 越前谷　一彦
Original assignee: JFE Steel Corp; Kawatetsu Mining Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】非接触充電器に搭載される平面磁気素子に関し、特に該平面磁気素子の大幅な薄型化と充電効率向上を達成する。
【解決手段】磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設した構造となる平面磁気素子であって、該平面コイルの中心部に磁性窓を有し、該磁性窓の少なくとも一部を比透磁率１００　以上の磁性体で構成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触充電器に搭載される平面磁気素子に関し、特に該平面磁気素子の大幅な薄型化と充電効率向上を達成するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報技術の普及に伴い、携帯電話や電子情報端末等の小型化、薄型化、軽量化が急速に進み、Ｌｉイオン電池やニッケル水素電池のような２次電池駆動の電源が多用されるようになってきている。
しかしながら、携帯機器は人体の近くに常備されることが多く、充電用の接点が露出した形では信頼性に問題を生じる恐れがあり、非接触式の充電システムが要望されている。
【０００３】
これまで、非接触充電システムとしては、主にシェーバーや電動歯ブラシなどの水回りの機器に用いられてきたが、最近では、例えば特開平２０００−７８７６３号公報に記載のように携帯電話やＰＨＳ　などの携帯用電子機器にも用いられるようになってきている。
また、特に薄型のものとして、カード型非接触給電装置の例をあげることができる（Ｋａｎａｉ　ｅｔ　ａｌ．：ＩＥＥＥ　ＡＰＥＣ　Ｒｅｃｏｒｄ，ｐｐ．１１５７−１１６２（２０００）、金井ら：電気学会マグネティクス研究会ＭＡＧ−００−１５０等参照）。
【０００４】
このような非接触充電システム（非接触給電装置）における磁気素子としては、従来、　フェライト板やアモルファス薄帯上に銅線を巻き回した構造、あるいは空心コイル構造を採用してきた。
しかしながら、これら従来の磁気素子には、構造上、次に述べるような問題があった。
（１）　コイル厚が１ｍｍ程度でかつ寸法が数ｃｍ角と大きいため、占有面積や体積が大きく、機器の小型化、薄型化を阻害する。
（２）　送電側からの磁束がコイル中を横切るため、受電コイル内で発生する渦電流による損失が大きい。
【０００５】
ところで、極薄型のコイルとしては、印刷法やシート法で形成したフェライト磁性膜を用いた平面型の磁気素子が知られている（特開平１１−２６２３９号公報等参照）。この平面型の磁気素子は、まず、フェライト粉にバインダを混ぜた磁性ペーストをＳｉ基板上に印刷、焼成することによって高抵抗のフェライト磁性膜を形成し、次に、　この膜上にコイルパターンをめっき法などで形成した後、さらにその上に磁性膜を形成して製作される。そして、薄型化はもちろん、コイル損失を効果的に抑制することに成功している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構造の磁気素子では、コイルの両側に磁性体を配置しているため、外部への磁束の取り出しおよび外部からの磁束の取り込みが充分とはいえず、受送電コイル間の磁束が充分に相互のコイルを横切らない。そのため、非接触充電器用としては充分な能力を発揮することができず、本発明が対象とする非接触充電器用平面磁気素子として適用することができなかった。
【０００７】
本発明は、非接触充電器に搭載される平面磁気素子について、その更なる小型化、薄型化を可能とし、良好な充電効率を実現する非接触充電器用の平面磁気素子を提供するものである。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ね、磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設して平面磁気素子を形成し、　さらに、当該平面コイルの中央部に適正な範囲に調整した面積をもって形成した磁性窓を設けることで所期の目的が有利に達成されることを見出した。
【０００８】
ここで、磁性窓とは、　図１に示すように、平面コイル２の中央部に所定面積を占有して設けた磁性層の領域であり、　平面コイルの最内巻きのコイル線とその端子で囲まれた３の領域を言う。なお、平面コイル２は、平面上を所定の間隔で巻回され、その線間には磁性層１が存在する。この線間に存在する磁性層１は、コイル最内巻きの端子部で当該磁性窓３と接続している。また、磁性窓３の比透磁率は、場所によって異なるようにすることもでき、例えば、図１（ｂ）に示すように、異なる比透磁率とした上面側磁性窓３ａと下面側磁性窓３ｂで磁性窓３を構成するようにしてもよい。
【０００９】
本発明の非接触充電器用平面磁気素子は、上記知見に基づいてなされたものであり、　その要旨は下記のとおりである。
▲１▼　磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設した構造となる平面磁気素子であって、該平面コイルの中心部に磁性窓を有し、該磁性窓の少なくとも一部が比透磁率１００　以上の磁性体で構成されることを特徴とする非接触充電器用平面磁気素子。
▲２▼　前記磁性窓が、当該平面磁気素子の平面積に対し５〜５０％の占有面積を占めることを特徴とする上記▲１▼に記載の非接触充電器用平面磁気素子。
▲３▼　前記磁性窓以外の磁性層が、磁性窓の１／２以下の比透磁率である磁性体で構成されることを特徴とする上記▲１▼または▲２▼に記載の非接触充電器用平面磁気素子。
▲４▼　上記▲１▼〜▲３▼のいずれかに記載の非接触充電器用の平面磁気素子であって、前記平面コイルのコイル線の幅と厚みをそれぞれ次式で示される表皮厚みδの０．２５〜４倍とすることを特徴とする非接触充電器用平面磁気素子。
【００１０】
δ＝｛２／（μ×σ×ω）｝^１／２　　・・・　　　（１）
ここで、μ：平面コイルの透磁率（Ｈ／ｍ）
σ：平面コイルの電気伝導率（Ｓ／ｍ）
ω：角振動数（ｒａｄ　／ｓ）
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に従う代表的な平面磁気素子を図１に模式的に示す。
本発明の平面磁気素子では、磁性層１から露出している平面コイル２の上面を送電コイル（図示せず）と対向して配置することで、送電コイルで発生する磁束を受電コイルである平面コイル２の線間および下面の磁性層に取り込むことができ、受電コイルに電力を有効に伝送することができる。さらに、本発明では、所定面積の磁性窓３を平面コイル２の中心部に設けたことで、　電力の受電を更に効率化できる。ここで、磁性窓３は、場所によって比透磁率を異ならせるようにしてもよく、例えば、図１（ｂ）に示すように異なる比透磁率とした上面側磁性窓３ａと下面側磁性窓３ｂで磁性窓３を構成してもよい。なお、４はコイルの接続用端子である。
【００１２】
特に、本発明では、磁性窓部の比透磁率を１００　以上の磁性体として構成する。こうすることで、送電側からの磁束をコイルの中心の磁性窓に集めることができる。この効果は、磁性窓部の比透磁率が大きいほど顕著である。すなわち、磁性窓の比透磁率が１００　未満の場合（図３）に比較して、磁性窓の比透磁率を１００　以上とした場合（図２）に送電装置１１からの磁束１２が平面磁気素子１０内に集中し、送電効率が向上することは明らかである。
【００１３】
すなわち、本発明のように、磁性窓部を、それ以外の部分の磁性体よりも大きい比透磁率の磁性体で構成すると、送電側からの磁束をコイルの中心に集中する効果が増大する。それゆえ、磁性窓部を構成する磁性体が、それ以外の部分を構成する磁性体の比透磁率の２倍以上、更に好適には５倍以上とすることを好適とする。
【００１４】
ここで、磁性層は、ＮｉＺｎフェライト、ＮｉＣｕＺｎフェライト等のフェライト焼結体や、フェライト磁粉を樹脂などの絶縁材料中に分散させた混合物で構成されてもよい。また、これらを部分的に組合わせたものでも良い。このようにして磁性層の比透磁率を変えることができる。
また、磁気素子全体において磁性層の比透磁率を必ずしも同一とする必要はなく、磁性窓、コイル線間等の表面部、磁性層内部のそれぞれの場所に応じて異なるように構成してもよい。
【００１５】
本発明において、磁性窓やそれ以外の磁性層の比透磁率とは、各部の磁性層の実効比透磁率をさすものであり、必ずしも均一な磁性体で構成されることを意味するものではない。
ここで、磁性窓３の所定面積としては、　平面磁気素子の面積に対する占有率として、５％以上、５０％以下とすることを好適とする。占有面積率が５％に満たない場合、送電側からの磁束はコイル全体に分散して横切ることになるため、受電コイルである当該平面コイルに誘起される電力は、磁束がコイルの中心に集中した場合の１／３以下にまで低下する。そのため、占有面積率を５％以上とすることを好適とする。一方、　磁性窓の占有面積率が大きいほど送電側からの磁束をコイルの中心に集めることになり、受電コイルに効率よく電力を誘起することができるが、５０％を超えると、平面コイルのコイル線長が長くなりすぎ、コイル抵抗の増大を招き、かえって受電効率が悪くなる。そのため、本発明では占有面積率を５０％以下とすることを好適とする。
【００１６】
また、本発明において、磁性層の厚みを５〜５００　μｍ程度とすることが好ましい。例えば、フェライト磁粉の体積密度の調整により、適切な磁性層の厚みを調整することができるが、この厚みが５μｍに満たないと送電側からの磁束の取り込み効果が乏しくなり、一方、５００　μｍを超えると磁気素子が厚くなって機器の薄型化を阻害するからである。
【００１７】
平面コイルについては、　コイル線の厚みと幅をそれぞれ次式で示す表皮厚みδの０．２５〜４倍とすることを好適とする。
δ＝｛２／（　μ×σ×ω）　｝^１／２　　・・・　（１）
ここで、μ：平面コイルの透磁率（Ｈ／ｍ）
σ：平面コイルの電気伝導率（Ｓ／ｍ）
ω：角振動数（ｒａｄ　／ｓ）
コイル線の厚みや幅を表皮厚みδ以上としたコイルに高周波電流を流すと、　電流はコイル表面に集中し、コイルの中心を流れず、交流抵抗が周波数とともに増大する。一方、　表皮厚みδ程度とすると、コイル断面積が小さくなるため直流抵抗が大きくなり損失が大きくなる。
【００１８】
これを避けるために、コイル線の厚みや幅を表皮厚み程度に分割した複数のコイルが用いられてきたが、コイル間を絶縁するスペースが増加する分大きくなるため素子の小型化が損なわれるだけでなく、近接効果によりコイル損失の低減に限界があることが明らかとなっている。
そこで、非接触充電器の受送電コイルとしての使用環境下において、交流抵抗による損失と直流抵抗による損失の和が最小となる組み合わせについて種々検討を重ねた。その結果、　コイル線の厚みと幅をそれぞれ（１）式で示される表皮厚みδの０．２５倍以上から４倍以下とすることが有効であるとの知見を得た。
【００１９】
すなわち、コイル線の厚みと幅が表皮厚みδの０．２５倍に満たないと、コイル直流抵抗が大きくなり、コイルの発熱が大きくなる。一方、４倍を超えると、直流抵抗は小さくなるものの、表皮効果による交流抵抗が大きくなって、全体としての損失の増大を招き、また、磁気素子の寸法も大きくなりすぎる。なお、より好適には、　０．３　倍以上、３倍以下である。
【００２０】
また、本発明において、　コイルの厚みを５〜２００　μｍ、更に好適には５０〜２００　μｍとすることが好ましい。厚みが５μｍに満たないとコイルの抵抗が大きくなり、損失が増大する。これを補うには、コイル線の幅を極端に広くすることが必要となるが、線幅の増大に伴いコイル線長さが増大するため、コイル抵抗の低減が困難となり、また、磁気素子の占有面積が大きくなって機器の小型化を阻害する。一方、コイルの厚みが２００　μｍを超えると、アディティブ法でもサブトラクト法でもコイルの形成が困難となり、さらにはコイル線間を磁性体で埋めるためにコイル線間のスペースを大きくとる必要から磁気素子の占有面積が増大し、機器の小型化を妨げることになる。
【００２１】
なお、本発明の平面磁気素子は、　コイルを形成したままの状態でそのまま使用しても構わないが、表面を保護するために、コイル形成側に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などの絶縁樹脂やガラス等の非磁性でかつ電気的絶縁体からなる保護被膜を被覆することが有利である。また、当該絶縁被膜に加えて、　アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスやシリコンなど非磁性の薄い板状の基材で覆うことは、強度を確保する上で有効である。なお、この基材は、平面コイルと反対側に形成してもよい。
【００２２】
【実施例】
本発明の好適な平面磁気素子を具体的に例示して説明する。なお、以下に記載の寸法等の具体的数値は、代表的な構成を例示するものであり、　何らその数値を限定するものではない。
（実施例１）
片面に厚さ１μｍのＣｕ膜があらかじめ形成された厚さ２５μｍのポリイミド樹脂コイルムを、Ｃｕ膜を表にしてガラス基板上に接着し、このＣｕ膜上にフォトレジストを塗布した後フォトリソグラフィにより所望のコイル形状のレジストフレームを形成した。素子の平面寸法を１０ｍｍ×１０ｍｍ（平面磁気素子の平面積：　１００ｍｍ^２）とし、下記の表１に示す占有面積率の磁性窓を平面コイル中央部に配置した。なお、コイルは、線幅を７０μｍ、コイル線の間隔を２５μｍとしたときに、当該素子内に巻回できるだけの巻数で配置した。巻数についても表１に併せて示す。
【００２３】
その後、電気めっきによりレジストフレーム内にＣｕを析出させた後、レジストを剥離し、ついで化学エッチングしてコイル線間の下地めっきを除去し、平面コイルとした。このとき、コイル端子も併せて形成した。
以上の工程により、コイル線の厚みが１００　μｍのスパイラル型の平面コイルを完成させた。
【００２４】
次に、Ｆｅ_２Ｏ_３：４９．５ｍｏｌ　％、ＺｎＯ：２８．０ｍｏｌ　％、ＣｕＯ：８．０ｍｏｌ％、および、ＮｉＯ：１４．５ｍｏｌ　％の組成になるフェライト磁粉を調合したエポキシ樹脂ペーストを、スクリーン印刷法にて上記の平面コイル上に塗布し、１５０　℃にて熱硬化させて、コイル上面からの膜厚が　５００μｍのフェライト磁性層を形成した。また、磁性層の一部に上記の組成の焼結フェライトを埋め込みまたは接着して組み込んだ。磁性窓は、図１に示すように上下２層の磁性窓（磁性窓ａ、磁性窓ｂ）として構成した。なお、平面コイル２を配置する上側の磁性窓３ａを磁性窓ａ、反対側の磁性窓３ｂを磁性窓ｂとする。
【００２５】
送電装置は、Ｅ型のＭｎＺｎ系フェライトで作製し、これを周波数１００　ｋＨｚ、送電電圧一定で駆動したものに、上記の平面磁気素子、すなわち、受電コイルを３．０ｍｍ　のギャップにて対向させて、そのときの無負荷時の受電側誘起電圧を測定した。このときの表皮厚みδは　２１０μｍである。
以上で得られた結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１から明らかなように、磁性窓のすべてまたは一部を比透磁率１００　以上の磁性体で構成したことで、本発明の平面磁気素子の誘起電圧を１０Ｖ以上と大きくすることができた。一方、磁性窓の比透磁率が１００　未満の比較例においては、誘起電圧を１０Ｖ以上の大きさとすることができなかった。
さらに、磁性窓の占有面積率を５〜５０％とすることで、誘起電圧を１４Ｖ以上と更に大きくでき、好適である。以上の結果から、本発明が薄型化に寄与できるのは言うまでもなく、非接触充電に好適であることは明らかである。
【００２８】
（実施例２）
まず初めに、Ｓｉ基板上にポリイミド樹脂をスピンコートにより塗布した後、熱硬化させ、厚み１０μｍの絶縁被膜を形成した。ついで、下地めっき層として０．５　μｍ厚のＣｕ膜を無電解めっき法にて成膜し、この上にフォトレジストを塗布した後フォトリソグラフィにより所望のコイル形状のレジストフレームを形成した。このとき、素子の平面寸法を８ｍｍ×８ｍｍ（平面磁気素子の平面積：６４ｍｍ^２）とし、下記の表２に示す占有面積率の磁性窓を平面コイルの中央部に配置した。コイルは、線幅を９０μｍ、コイル線間隔を２０μｍとしたときに、当該素子内に巻回できるだけの巻数で配置した。それぞれの例について、巻数を表２に示す。
【００２９】
その後、電気めっきによりレジストフレーム内にＣｕを析出させた後、レジストを剥離し、ついで化学エッチングしてコイル線間の下地めっきを除去し、平面コイルとした。このとき、コイル端子も併せて形成した。
以上の工程により、コイル線の厚みが９０μｍのスパイラル型の平面コイルを完成させた。
【００３０】
次に、Ｆｅ_２Ｏ_３：４９．５ｍｏｌ　％、ＺｎＯ：２８．０ｍｏｌ　％、ＣｕＯ：８．０ｍｏｌ％、および、ＮｉＯ：１４．５ｍｏｌ　％の組成になるフェライト磁粉を調合したエポキシ樹脂ペーストを、スクリーン印刷法にて上記の平面コイル上に塗布し、１５０　℃にて熱硬化させて、コイル上面からの膜厚が２００　μｍのフェライト磁性層を形成した。また、磁性層の一部に上記組成の焼結フェライトを埋め込みまたは接着して組み込んだ。磁性窓は、図１に示すように上下２層の磁性窓（磁性窓ａ、磁性窓ｂ）として構成した。なお、表には、平面コイル２を配置する上側の磁性窓３ａを磁性窓ａとし、反対側の磁性窓３ｂを磁性窓ｂとして示す。
【００３１】
ついで、基板と保護被膜間を剥離して、約３００　μｍ厚の薄型の平面磁気素子を完成した。
送電装置は、逆Ｔ字型のＭｎＺｎ系フェライトで作製し、これを周波数３００　ｋＨｚ、送電電圧一定で駆動したものに、上記の平面磁気素子を２．０ｍｍ　のギャップにて対向させて、そのときの無負荷時の受電側誘起電圧を測定した。このときの表皮厚みδは　２００μｍである。
【００３２】
以上で得られた結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】

【００３４】
表２から明らかなように、平面磁気素子が小型になったにもかかわらず、磁性窓のすべてまたは一部を比透磁率１００　以上の磁性体で構成することで、誘起電圧を８Ｖ以上と大きくすることができる。さらに、磁性窓の占有面積率を５〜５０％とすることにより、誘起電圧を１１Ｖ以上とさらに大きくすることができ、より好ましい。これらの結果から、本発明の平面磁気素子がその薄型化に寄与することは言うまでもなく、非接触充電に好適であることは明らかである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、きわめて薄型化され、充電効率の高い非接触充電器用磁気素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触充電器用の平面磁気素子の模式的な斜視図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。
【図２】本発明例の平面磁気素子（磁性窓の比透磁率≧１００　）への送電時の磁束の様子を示す部分断面図である。
【図３】比較例の平面磁気素子（磁性窓の比透磁率＜１００　）への送電時の磁束の様子を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１　　　　（フェライト）磁性層
２　　　　平面コイル
３、３ａ、３ｂ　　　　磁性窓
４　　　　端子
１０　　平面磁気素子
１１　　送電装置（送電コイル）
１２　　磁束

Claims

磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設した構造となる平面磁気素子であって、該平面コイルの中心部に磁性窓を有し、該磁性窓の少なくとも一部が比透磁率１００　以上の磁性体で構成されることを特徴とする非接触充電器用平面磁気素子。
前記磁性窓が、当該平面磁気素子の平面積に対し５〜５０％の占有面積を占めることを特徴とする請求項ｌに記載の非接触充電器用平面磁気素子。
前記磁性窓以外の磁性層が、磁性窓の１／２以下の比透磁率である磁性体で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触充電器用平面磁気素子。
請求項１〜３のいずれかに記載の非接触充電器用の平面磁気素子であって、
前記平面コイルのコイル線の幅と厚みをそれぞれ次式で示される表皮厚みδの０．２５〜４倍とすることを特徴とする非接触充電器用平面磁気素子。
δ＝｛２／（μ×σ×ω）｝^１／２　　・・・　　　（１）
ここで、μ：平面コイルの透磁率（Ｈ／ｍ）
σ：平面コイルの電気伝導率（Ｓ／ｍ）
ω：角振動数（ｒａｄ　／ｓ）