JP2013201296A - 伝送コイル部品及び非接触充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルとそれに対向する磁性シートを備える、非接触充電装置用の伝送コイル部品において、インダクタンスと効率の低下を抑えて、磁性シートの磁気ヨーク等としての機能を維持しつつ、薄型化が可能な構成を提供する。さらには、かかる構成を用いて非接触充電装置の小型化を可能とする。
【解決手段】 非接触充電装置用の伝送コイル部品であって、コイルと、前記コイルに対向するように配置された磁性シートを備え、前記磁性シートはフェライト層と軟磁性合金薄帯層を有し、前記フェライト層が前記コイル側になるように配置されたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、コイルと、磁気シールド、磁気ヨーク等として機能する磁性シートとを有する伝送コイル部品に関する。さらにはそれを用いた非接触充電装置に関する。

近年、小型の電子機器、情報通信機器の高性能化、高機能化が進められており、特に、携帯電話、Ｗｅｂ端末、ミュージックプレイヤー等は携帯機器としての利便性のため、長時間の連続使用が可能であることが求められている。これら小型情報通信機器では電源としてリチウムイオン電池などの二次電池が使用されている。この二次電池の充電方法には受電側の電極と給電側の電極とを直接接触させて充電を行う接触充電方式と、給電側と受電側の両方に伝送コイルを設け、電磁誘導を利用した電力伝送によって充電する非接触充電方式とがある。非接触充電方式は給電装置と受電装置を直接接触させるための電極が必要ないため、同じ給電装置を用いて異なる受電装置に充電することも可能である。

高い電力伝送効率を得るためには、伝送コイルに対して、給電装置と受電装置の接触面とは反対側に磁性シートなどのコイルヨークが設置される。かかるコイルヨークには以下のような役割がある。第一の役割は、磁気シールド材としての役割である。非接触充電装置の充電作業中に発生した漏れ磁束が二次電池を構成する金属部材などの他の部品に流れると、これらの部品が渦電流によって発熱する。コイルヨークは、磁気シールド材としてこの発熱を抑制できる。コイルヨークの第二の役割は、充電中にコイルで発生した磁束を還流させるヨーク部材として作用することである。例えば、コイル間に生じる電磁誘導作用により非接触で電力を伝送するコードレスパワーステーションを開示する特許文献１には、コイルの外側に軟磁性材部として軟磁性フェライト板を配置した構成が開示されている。特許文献１では、かかる軟磁性フェライト板によって磁束漏れを防止している。

特開平７−２３１５８６号公報

電子機器、情報通信機器の非接触充電装置に対しては、伝送効率等の特性向上はもちろんのこと、小型化、特に薄型化の要請が強い。特許文献１に記載された構成によれば、磁束漏れを防止し、伝送電力及び変換効率の向上することが期待されるものの、軟磁性材部を備え、かかる軟磁性材部として軟磁性フェライトを用いているため、小型化、薄型化の要請に十分応えられるものではなかった。

かかる点に鑑み、本発明は、コイルとそれに対向する磁性シートを備える、非接触充電装置用の伝送コイル部品において、インダクタンスと効率の低下を抑えて磁性シートの磁気ヨーク等としての機能を維持しつつ、薄型化が可能な構成を提供することを目的とする。さらには、かかる構成を用いて非接触充電装置の小型化を図ることを目的とする。

本発明の非接触充電装置用の伝送コイル部品は、コイルと、前記コイルに対向するように配置された磁性シートを備え、前記磁性シートはフェライト層と軟磁性合金薄帯層を有し、前記フェライト層が前記コイル側になるように配置されたことを特徴とする。かかる構成によって、インダクタンスと効率の低下を抑えつつ、伝送コイル部品の薄型化が可能になる。

また、前記伝送コイル部品において、前記軟磁性合金薄帯層は軟磁性合金薄帯を二層以上有することが好ましい。磁性シートのフェライト層がコイル側になるように配置することで、効率低下の抑制効果が得られるが、軟磁性合金薄帯を二層以上有することで、その効果がよりいっそう高められる。

また、本発明の非接触充電装置用の受電装置は、前記伝送コイル部品を備えたことを特徴とする。上述の伝送コイル部品を備えることで、非接触充電装置用の受電装置の小型化が可能である。

また、本発明の非接触充電装置用の給電装置は、前記伝送コイル部品を備えたことを特徴とする。上述の伝送コイル部品を備えることで、非接触充電装置用の給電装置の小型化が可能である。

また、本発明の非接触充電装置は、互いに対置させて用いる給電装置および受電装置を有する非接触充電装置であって、前記給電装置および受電装置の少なくとも一方に前記伝送コイル部品を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、コイルとそれに対向する磁性シートを備える、非接触充電装置用の伝送コイル部品において、インダクタンスと効率の低下を抑えて、磁性シートの磁気ヨーク等としての機能を維持しつつ、薄型化が可能な構成を提供することができる。さらには、かかる構成を用いて非接触充電装置の小型化も可能となる。

給電装置と受電装置を備えた非接触充電装置を示す図である。 本発明に係る伝送コイル部品に用いる磁性シートの例を示す図である。 本発明に係る伝送コイル部品の実施形態を示す図である。 本発明に係る伝送コイル部品の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る伝送コイル部品に用いる磁性シートの他の例を示す図である。

以下、本発明に係る伝送コイル部品および非接触充電装置の実施形態を、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施形態において説明する構成は、他の実施形態の趣旨を損なわない限りにおいて他の実施形態においても適用することが可能であり、その場合、重複する説明は適宜省略する。

図１は互いに対置させて用いる給電装置および受電装置を有する非接触充電装置を示す断面図である。給電装置および受電装置は、それぞれ伝送コイル部品を備え、これらの伝送コイル部品を対向させて伝送コイル部品間で電力伝送を行う。給電装置および受電装置の少なくとも一方に、本発明に係る伝送コイル部品を備える。各伝送コイル部品は、平面状のコイルと、前記コイルに対向するように配置された磁性シートを備える。非接触充電装置の具体例は、例えば携帯通信端末とその充電器である。受電装置には携帯端末など、受電機能を備えた電子機器本体の他、バッテリーユニット単体も含まれる。

交流電源１０に接続される給電装置１２は回路部１１を有する。回路部１１は、交流電流を整流する整流回路、整流された直流電流を所定の周波数の高周波電流に変換するスイッチング回路を備える。給電装置１２は、平面状コイル７と、平面状コイル７の内側に配置された磁気吸着部材８とを有する。回路部１１から出力された高周波電流は一次伝送コイルである平面状コイル７に流れる。平面状コイル７は共振用コンデンサ（図示せず）に接続され、スイッチング回路によって変換される所定周波数と同じ周波数で共振する。給電装置１２にはスイッチング回路の動作を制御するための制御回路を設けても良い。

受電装置５は、二次伝送コイルである平面状コイル２と、コイルヨークとして前記平面状コイル２の後面側に配置された磁性シート１とを備える。なお、一次伝送コイルと対向する側を前面側、逆側を後面側と称することとする。二次伝送コイルである平面状コイル２に加えて共振用コンデンサを配置することで共振回路を構成できる。平面状コイル２には、整流回路（図示せず）を介して二次電池４が接続されており、電磁誘導によって平面状コイル２に誘起された誘導電流は整流回路で整流され、二次電池４が充電される。

給電装置１２および受電装置５は、例えば樹脂等の非磁性の筐体に収容される。かかる筐体はそれぞれ平坦面を有し、該平坦面同士を対向させて充電を行う。給電装置と受電装置とは、上述の磁気吸着部材８を用いて互いに位置決め、固定される。給電装置の磁気吸着部材と受電装置の磁気吸着部材の少なくとも一方が磁石を用いて構成される。例えば図１に示す構成では、給電装置の磁気吸着部材８が磁石または該磁石からの磁束を誘導する磁気ヨークである。受電装置側にも磁石を設けて位置決め、固定することができるが、図１に示す構成の受電装置側では、磁性シート１に磁気吸着部材としての機能を持たせている。すなわち、給電装置側の磁気吸着部材８と受電装置側の磁性シート１とが対向して配置されており、これらの間の磁気的な吸着力によって給電装置１２と受電装置５とが位置決め、固定される。

上記平面状コイル２、７は、その巻回軸が前記平坦面に垂直になるように（平面状のコイルの面が前記平坦面に平行になるように）筐体の内側に配置される。平面状コイル２、７の、前記平坦面の反対側（後面側）には、それぞれ磁性シート１、６が隣接して配置される。筐体内部には、例えば樹脂基板などの基板３、９が配置される。なお、磁性シートと磁気吸着部材の構成は、受電装置と給電装置とで互いに入れ替えて構成することも可能である。ただし、受電装置の小型化の要請が強いため、磁性シートとは別個の磁気吸着部材を備える構成は受電装置側では用いないことがより好ましい。給電装置側の磁性シート６は受電側の磁性シート１と同じ構成の磁性体を用いてもよいが、別の構成のものを用いてもよい。また、受電側の基板３を省略して、磁性シート１を二次電池４に直接貼付してもよい。磁性シート１、６は、二次電池４等を設置した基板３、９と平面状コイル２、７との間において、その主面が平面状コイル２、７と重なるように、または覆うように配置される。したがって、渦巻き状に巻回された平面状コイル７によって発生した磁束が磁性シート１、６に収束して通るようになり、磁性シートが磁気ヨークまたは磁気シールドとして機能する。平面状コイル２、７の巻回軸方向に対置された磁性シート１、６の部分について、以下具体的に説明する。

（第１の実施形態）
本願発明に係る伝送コイル部品に用いる磁性シートの例を図２に、かかる磁性シートを用いた非接触充電装置用の伝送コイル部品の例を図３に示す。図３に示した伝送コイル部品は、図１に示す非接触充電装置の受電装置５に用いられる伝送コイル部品である。図２（ａ）は平面状の磁性シートを主面の法線方向から見た平面図である。図２に示す磁性シート１は外形が矩形であるが、外形はこれに限定されるものではない。例えば、長方形、正方形のような矩形以外に、円形、楕円形、異形、さらにはそれらに凹凸をつけた形状など種々の構成を取ることができる。また、図２に示す矩形の構成では四隅にアールが形成されているが、かかるアールは形成しなくてもよい。図２（ｂ）は平面状の磁性シート１の、法線に垂直な方向から見た断面図である。磁性シート１はシート状のフェライト層１ａと軟磁性合金薄帯層１ｂを有する積層シートである。フェライト層１ａと軟磁性合金薄帯層１ｂとは接着層（図示せず）を介して貼り合わされている。図２に示す構成では、フェライト層１ａと軟磁性合金薄帯層１ｂの外形を同じにして、外周を揃えて構成してあるが、これらの形状や大きさを異なるものとしてもよい。

フェライト層１ａは、Ｎｉ系フェライト焼結体、Ｍｎ系フェライト焼結体等各種のフェライト材料を用いて構成することができる。フェライト材料は、金属系の材料に比べて抵抗率が高く、うず電流損失の低減に有効である。フェライト材料のうち１０^５Ω・ｍ以上の抵抗率を有し、抵抗率の高いＮｉ−Ｚｎ系フェライト焼結体がより好ましい。一方、軟磁性合金薄帯層１ｂは、ロール急冷により製造される磁性合金の薄帯を用いて構成される。軟磁性合金薄帯材料は、例えばＦｅ系アモルファス薄帯、Ｃｏ系アモルファス薄帯、Ｆｅ系ナノ結晶軟磁性合金薄帯、Ｃｏ系ナノ結晶軟磁性合金薄帯などであり、０．５Ｔ以上の飽和磁束密度と３０００以上の比透磁率（ａｔ １００ｋＨｚ）を有し、フェライト層１ａを構成するフェライト材料よりも、透磁率、飽和磁束密度に優れる。このうち、Ｆｅ系ナノ結晶軟磁性合金薄帯などの微結晶軟磁性合金薄帯は特に高い飽和磁束密度、透磁率を有することから、磁性シートを構成する磁性体として特に好ましい。例えば、１．２Ｔ以上の飽和磁束密度、１００００以上の比透磁率（ａｔ １００ｋＨｚ）を有するＦｅ系ナノ結晶軟磁性合金薄帯が好適である。渦電流損失を低減し、充電の伝送効率を向上させるためには、軟磁性体を薄くすることが好ましいため、軟磁性合金薄帯の一層の厚さは５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下にするとよい。

フェライト層１ａと軟磁性合金薄帯層１ｂを貼り合わせることによって、フェライト層だけで磁性シートを構成する場合に比べて、磁性シートを薄型化することが可能である。本願発明においては、単にフェライト層１ａと軟磁性合金薄帯層１ｂを貼り合わせるだけでなく、図３に示すように、フェライト層１ａが平面状コイル２側になるように配置する。軟磁性合金薄帯層１ｂは、伝送コイル部品が受電装置に用いられる場合は二次電池４側に配置されることになる。フェライト層１ａが平面状コイル２側になるように配置することで、軟磁性合金薄帯層１ｂが平面状コイル２側になるように配置する場合に比べて、伝送コイル部品において高いＱ値が得られるのである。

（第２の実施形態）
本願発明に係る伝送コイル部品の他の例を図４に示す。図４に示す実施形態では、軟磁性合金薄帯層１ｂを二層の軟磁性合金薄帯（１ｂ（１）、１ｂ（２））で構成している点が、図３に示す第１の実施形態と異なる。その他の構成は、図３に示す実施形態と同様であるので説明を省略する。軟磁性合金薄帯層１ｂを複層化にすることで、インダクタンスを高め、磁気飽和もしにくくなる。さらに、上述した、フェライト層１ａが平面状コイル２側になるように配置することの効果がよりいっそう顕著になる。複数の軟磁性合金薄帯は接着層である樹脂（図示せず）を介して積層されている。軟磁性合金薄帯は二層に限らず、それ以上でもよい。軟磁性合金薄帯の層数が多くなるにしたがって、上記効果が顕著なる。軟磁性合金薄帯層の層数の上限はこれを特に限定するものではないが、軟磁性合金薄帯層の層数が多くなると工程が複雑となるので、例えば１０層以下にすることが好ましい。また、薄型化を可能とする軟磁性合金薄帯の特徴やコストの観点からは、軟磁性合金薄帯層が占める部分が多くなりすぎないことが好ましい。例えば、接着層等の非磁性体部分を除いた軟磁性合金薄帯層１ｂの合計厚さは、フェライト層１ａの厚さよりも小さいことが好ましい。なお、フェライト層１ａを二層以上にすることも可能である。ただし、工程が煩雑になることから、フェライト層１ａは一層であることが好ましい。

（第３の実施形態）
本願発明に係る伝送コイル部品に用いる磁性シートは図２に示すようなベタな単純な形状なものに限らず、開口部、切り欠き等があってもよい。本願発明に係る伝送コイル部品に用いる磁性シートの他の例を図５に示す。図５は平面状の磁性シートを主面の法線方向から見た平面図である。図２に示す実施形態とは、平面の形状が異なり、それ以外の構成は同じであるので、その説明は省略する。図５に示す磁性シート１３は外形が略矩形であり、環状の開口部１４を有する。さらに、磁性シート１３が開口部１４に囲まれた部分１５を有する。以下、環状の開口部１４に囲まれた部分１５を第２の磁性シート部１５、それ以外の部分を第１の磁性シート部ともいう。第１の磁性シート部と第２の磁性シート部とは一体で構成され、第２の磁性シート部１５の一部と第１の磁性シート部の一部とを連結する連結部１６を備えている。第２の磁性シート部は連結部１６が形成された部分を除き、開口部１４の縁から離間して配置され、全体として円形であり、開口部１４の内形と相似となっている。磁性シートと平面状コイルとを用いて伝送コイル部品を構成するときに、第２の磁性シート部は、平面状コイルの巻回軸上に位置するように配置される。給電装置と受電装置は、それに含まれるコイルの巻回軸が一致するように配置される。したがって、給電装置のコイルの中心軸上に磁気吸着部材として永久磁石を備える場合、環状の開口部１４に囲まれた部分１５（第２の磁性シート部１５）は、かかる永久磁石に対向配置される磁気吸着部材として機能させることができる。そのような場合でも、第２の磁性シート部１５は開口部１４の縁から離間して配置されているため、第２の磁性シート部１５から第１の磁性シート部への磁束の流れやそれによる第１の磁性シート部の磁気飽和を抑制することができる。連結部１６の幅は、その幅方向で見た第２の磁性シート部１５の寸法よりも小さく、第２の磁性シート部１５の外形が円形、矩形等と認識できる程度であることが必要である。さらに、図５に示す磁性シートは、開口部１４と第１の磁性シート部の外縁側とを連通させる連通部１７を有する。連通部１７を形成しない構成でもよいが、連通部１７が形成されていることで、開口部１４を形成する際に、かかる部分の薄帯の除去が容易になる。なお、吸着機能の構成に応じて、第２の磁性シート部を設けず、円形や矩形の単純な開口部にすることも可能であるし、完全な開口にせず、凹部にすることも可能である。

積層された磁性シートは、破損を防ぐために補強部材に固着されていることが好ましい。具体的には、樹脂シートなどで軟磁性合金薄帯等をラミネート加工した磁性シートを用いることが好ましい。表裏二つの主面の一方に樹脂シートを設けても良いし、両方に設けても良い。但し、強度の確保、破損時の破片の飛散防止等の観点からは、表裏二つの主面の両方に樹脂シートを設けることがより好ましい。また、フェライト層、軟磁性合金薄帯層は、樹脂シートに固着された状態で個片分割されたものでもよい。例えば、直交する二方向に所定間隔で形成された分割溝、凹部列、貫通孔列などを設け、樹脂シートの固着された状態で前記分割溝等に沿ってフェライト層を個片分割することによって、フェライト層に可撓性を付与することができる。また、軟磁性合金薄帯層を個片分割することによって、渦電流を抑制することができる。かかる観点からは、スリットも有効である。かかる分割溝等を形成する場合、その構成をフェライト層と軟磁性合金薄帯とで異なるものにすることができる。例えば、個片分割の間隔をフェライト層よりも軟磁性合金薄帯層で大きくしてもよいし、フェライト層のみ所定の間隔で規則的に個片分割し、軟磁性合金薄帯層はかかる規則的な個片分割はしないようにしてもよい。

磁性シートをコイルに対向するように配置する際、フェライト層と軟磁性合金薄帯層とを一体としてから配置してもよいし、別体のフェライト層と軟磁性合金薄帯層とを順次配置してもよい。また、フェライト層をコイルに貼付し、軟磁性合金薄帯層を基板や二次電池に貼付して、これらを近接または密着させてもよい。

（実施例１）
図２に示す、矩形の磁性シートを用いて伝送コイル部品を構成した。磁性シートのうち、フェライト層にはＮｉ−Ｚｎ系フェライト焼結体を、軟磁性合金薄帯層には微結晶軟磁性合金薄帯を用いた。Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト焼結体は日立金属株式会社製のＭＳ−ＮＦ材（厚さ１００μｍ）を使用し、一方の面には厚さ１０μｍのＰＥＴ樹脂、他方の面には厚さ１０μｍの両面接着シートを貼りつけた。また、微結晶軟磁性合金薄帯として日立金属株式会社製のファインメット（登録商標）（ＦＴ−３Ｍ材、厚さ１８μｍ）を使用した。薄帯を複数層で形成する場合は、両面接着シート（厚さ１０μｍ）を貼り付けて積層し、最上面に露出する薄帯には厚さ３１μｍのＰＥＴ樹脂を貼り付けた。磁性シートの外形寸法は縦４０ｍｍ、横４５ｍｍである。軟磁性合金薄帯の層数が異なる複数の磁性シートを用意した。磁性シートと平面状コイルを組み合わせて受電側（二次側）の伝送コイル部品を構成した。このとき、フェライト層をコイル側に配置する構成と軟磁性合金薄帯層をコイル側に配置する構成の二通りで評価した。平面状コイルは線径０．３２ｍｍの２パラ線を１５ターン巻回して構成し、コイルの外形は４０×２０ｍｍの矩形、内形は２０ｍｍ×１０ｍｍの矩形とした。一方、給電側（一次側）の平面状コイルは、線径１ｍｍのリッツ線を２０ターン（１０ターン、２段）巻回して構成し、コイルの外形は直径４０ｍｍの円形、内形は直径２０ｍｍの円形とした。なお、一次側の磁性シートにはフェライトを使用した。磁性シートと平面状コイルの中心を合わせて伝送コイル部品を構成し、給電側の伝送コイル部品と受電側の伝送コイル部品を図１と同様に配置して、１２０ｋＨｚでインダクタンスＬｓとＱ値を測定した。結果を表１に示す。

コイル側にフェライト層、逆側に軟磁性合金薄帯層が配置されたＮｏ１、３、５および７の構成において得られたインダクタンスＬｓを磁性体としてフェライトだけを用いた磁性シートで得ようとすると、それぞれ２１５μｍ（磁性体総厚１９５μｍ）、２７５μｍ（磁性体総厚２５５μｍ）、３１５（磁性体総厚２９５μｍ）、３７５μｍ（磁性体総厚３５５μｍ）であり、表１に示した磁性シート総厚の方が小さいことがわかった。したがって、本願発明の構成を備えたＮｏ１、３、５および７の実施例において、伝送コイル部品の小型化が図れることがわかる。また、軟磁性合金薄帯層の層数が１〜４のいずれの場合も、コイル側の磁性シート配置を変えてもインダクタンスＬｓに大きな違いは見られなかった。しかしながら、Ｑ値は磁性シートとコイルとの位置関係を変えることで大きな違いが見られた。すなわち、フェライト層をコイル側に配置することで、軟磁性合金薄帯層をコイル側に配置する場合に比べて、Ｑ値が高くなっており、磁性シートの配置の仕方が重要であることがわかった。特に、軟磁性合金薄帯を二層以上有するＮｏ３、５および７の構成において、その効果が顕著になっていることがわかる。

１、６：磁性シート
２、７：平面状コイル
３、９：基板
４：二次電池
５：受電装置
８：磁気吸着部材
１０：交流電源
１１：回路部
１２：給電装置
１３：磁性シート
１４：開口部
１５：環状の開口部４３に囲まれた部分（第２の磁性シート部）
１６：連結部
１７：連通部

Claims (5)

1. コイルと、前記コイルに対向するように配置された磁性シートを備え、
   前記磁性シートはフェライト層と軟磁性合金薄帯層を有し、
   前記フェライト層が前記コイル側になるように配置された非接触充電装置用の伝送コイル部品。
2. 前記軟磁性合金薄帯層は軟磁性合金薄帯を二層以上有することを特徴とする請求項１に記載の伝送コイル部品。
3. 請求項１または２に記載の伝送コイル部品を備えたことを特徴とする非接触充電装置用の受電装置。
4. 請求項１または２に記載の伝送コイル部品を備えたことを特徴とする非接触充電装置用の給電装置。
5. 互いに対置させて用いる給電装置および受電装置を有する非接触充電装置であって、
   前記給電装置および受電装置の少なくとも一方に請求項１または２に記載の伝送コイル部品を備えたことを特徴とする非接触充電装置。

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