JP2016036007A - 薄膜コイル、薄膜コイル素子及び充電装置並びに薄膜コイル素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に充電効率を向上させると共に、発熱の問題を改善する、薄膜コイル、薄膜コイル素子及びその薄膜コイルを組み合わせてなる充電装置並びに薄膜コイル素子の製造方法を提供する。【解決手段】薄膜コイル素子及び充電装置において、薄膜コイル２１、２２は、螺旋構造の第１の薄膜巻線２０１、第２の薄膜巻線からなり、螺旋構造における隣接構造は間隔を有し、薄膜巻線は接続ポート２０３、２０４を介して外部と接続され、薄膜巻線の内側に第１の巻線終端２０７、第２の巻線終端を有し、接続ポート及び巻線終端に通電すると、誘導電磁界を形成する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、薄膜コイル、薄膜コイル素子及び充電装置並びに薄膜コイル素子の製造方法に関し、特に特定の線幅を有すると共に通電により誘導電磁界を生成することができる薄膜コイル、薄膜コイル素子及びその製造方法、並びに複数の薄膜コイル素子を組み合わせてなる充電装置に関する。

無線充電は、電磁誘導充電又は非接触誘導充電とも呼ばれ、近接場誘導、即ち誘導結合を利用して、給電機器からエネルギーを電力消費装置に伝送する方式である。一般的な無線充電の技術としては、充電器の内部に磁心が設けられ、外部に銅コイルが巻回されることで、通電後にある方向の電磁場を生成することができ、交流電流が印加されると交流電磁場を生成することができるようにしており、電力消費装置内に交流電磁場を受信する他のコイルを有する場合、交流電磁場を電気エネルギーに変換することで、電力消費装置に給電したり、その内部の充電電池に充電したりすることができる。無線充電では、充電器と電力消費装置との間で誘導結合によってエネルギーを伝送することから、ケーブル接続の必要性がない。

従来のコイルの構成を図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａは、一般的な無線充電モジュールのコイルであり、巻き数は３回であり、一端が通電されると誘導電磁界を生成することができる。図１Ｂに示すように、誘導電磁界の強度を向上させるために、平面コイルの巻線の巻き数を６回に増加することができ、理論上は誘導電磁界の強度を２倍に増強することができる。しかしながら、この方法では、巻線の長さを２倍以上に増加することになり、コイル全体の電気抵抗値に影響を及ぼして、無線充電の効率を低下させてしまう。

同時に、無線充電には、例えば効率が低いという解決を要する欠点が依然として存在する。一般的な充電器も内部に変圧器を有するが、無線充電では第１のコイル及び第２のコイルを組み合わせており、構造上の制限を受けるため、エネルギー伝送効率が一般的な充電器よりも低い。加えて、電源が先ず外部回路によって降圧、整流及び調整された上で無線充電モジュールに送られるため、変換効率も外部回路の構成によって左右される。また、無線充電方式では、巻き数の増加によって巻線抵抗が上昇するため、発熱が深刻となり、従来の充電器と同様、充電中においても発熱する現象が生じるという問題があった。

効果的に充電効率を向上させると共に、発熱の問題を改善するために、本発明は、無線充電の高利得薄膜コイルの構成に適用されると共に、巻き数を増加してもコイル全体の電気抵抗値が顕著に上昇することがなく、充電効率を効果的に向上させることができ、発熱の問題が生じにくいという効果を奏する、薄膜コイル、薄膜コイル素子及びその製造方法、並びにその薄膜コイルを組み合わせてなる充電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る薄膜コイルは、螺旋構造の薄膜巻線からなる。当該螺旋構造における隣接構造は間隔を有する。当該薄膜巻線は、導体であり、外側に外部と接続するための接続ポートを有し、内側に巻線終端を有する。本発明に係る薄膜コイルは、接続ポート及び巻線終端に通電することによって、誘導電磁界を形成することができる。

１つの実施例において、螺旋構造の薄膜巻線の中心部位には、薄膜磁心が形成されることができる。

２つの薄膜コイルを組み合わせることによって、薄膜コイル素子を形成する。１つの実施例において、薄膜コイル素子は、基板と、基板の両側の表面に形成された第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルとを含む。第１の薄膜コイルは、基板の第１の表面に形成され、螺旋構造の第１の薄膜巻線からなる。第１の薄膜巻線は、外側に外部と接続するための第１の接続ポートを有し、内側に第１の巻線終端を有する。第２の薄膜コイルは、基板の第２の表面に形成され、螺旋構造の第２の薄膜巻線からなる。第２の薄膜巻線は、外側に外部と接続するための第２の接続ポートを有し、内側に第２の巻線終端を有する。

上述した第１の薄膜コイルと第２の薄膜コイルとは、電気的接続手段を介して電気的に接続されることができる。第１の薄膜巻線の螺旋方向と第２の薄膜巻線の螺旋方向とは同一であり、第１の接続ポートと第２の接続ポートとの間の電流によって誘導電磁界が形成される。

上述した薄膜コイル素子が形成された場合、薄膜コイルと基板との間に接着層が設けられる。この接着層材料には、素子全体の電磁誘導能力及び磁場安定性を向上させるように、例えば強磁性粒子といった磁性材料が含有されている。

前述した電磁誘導能力を向上させた接着層を有する素子の製造方法においては、まず基板を用意し、基板に光硬化又は熱硬化特性を有する接着層を塗布することにより、薄膜コイルを貼着する。接着層内には磁性材料が含有されているため、両側の薄膜コイル素子の電磁誘導能力及び磁場安定性を増強することができる。その後、接着層に導体材料を形成し、光硬化又は熱硬化プロセスを実行した後、更にエッチング方式により基板の両側表面にそれぞれ薄膜コイルを製作することで、薄膜コイル素子が形成される。

同様に、基板の両側に形成された螺旋構造の第１の薄膜巻線及び第２の薄膜巻線の中心部位には、それぞれ薄膜磁心が形成されてもよい。又は、第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルは、それぞれ磁性薄膜に形成された上で、基板の２つの表面に結合されてもよい。１つの実施例において、基板は磁性基板である。

１つ又は複数の薄膜コイル素子を結合することによって、装置端薄膜コイル素子を有する電力消費装置に充電するための充電装置を構成することができる。

本発明によれば、巻き数を増加してもコイル全体の電気抵抗値が顕著に上昇することがなく、充電効率を効果的に向上させることができると共に、発熱の問題が生じにくい。

一般的な銅コイルの形態を示した図である。 一般的な銅コイルの形態を示した図である。 本発明に係る薄膜コイルの実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイルの実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の他の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイルの他の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の更に他の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の更に他の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイルの実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の更に他の実施例を示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の製造方法のフローを示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の製造方法のフローを示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の製造方法のフローを示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の製造方法のフローを示した図である。 本発明に係る薄膜コイル素子の製造方法のフローを示した図である。 本発明に係る充電装置の実施例を示した図である。 発射端の発射信号波形を示した図である。 受信端の誘導信号波形を示した図である。 両面薄膜コイルの受信端の誘導信号波形を示した図である。

本発明に係る薄膜コイル、薄膜コイル素子は、薄膜技術によって薄型に製作されると共に導電可能な薄膜装置である。本発明はまた、この薄膜コイルを組み合わせてなる充電装置をも提供する。本発明に係る薄膜コイルは、特定の線幅を有すると共に通電により誘導電磁界を生成することができ、無線充電の高利得薄膜コイルの構成に適用され、複数組み合わせることで充電装置を形成することができる。また、本発明は、薄膜コイル素子の製造方法を更に提供する。

薄膜とした構成によって、巻き数を増加してもコイル全体の電気抵抗値が顕著に上昇することがなく、充電効率を例えば従来の７０％から８０％以上にまで効果的に向上させることができると共に、発熱の問題が生じにくい効果を奏することができる。また、薄膜コイルは、実施例において、コイルを薄型化すると共に立体化したものであり、例えば薄さを０．５ｍｍよりも薄くすることができ、無線充電装置全体の可撓性（flexibility）及び薄型化（miniaturization）に寄与することができる。

図２Ａは、本発明に係る薄膜コイルの実施例を示した図である。本実施例における薄膜コイルは、ある螺旋方向を有する第１の薄膜コイル２１である。第１の薄膜コイル２１は、螺旋構造の第１の薄膜巻線２０１からなり、複数の巻き数を有する薄膜コイルとして形成される。好ましくは、この薄膜巻線は、導体材料からなる薄膜であるが、螺旋構造における隣接構造が間隔を有しているため、電気信号が互いに接続したり影響を及ぼし合ったりすることがない。この第１の薄膜巻線２０１は、外側には、図に示す第１の接続ポート２０３のように外部（外部回路）と接続するための接続ポートを有し、内側には、図に示す第１の巻線終端２０７のように巻線終端を有する。

図２Ｂは、図２Ａの第１の薄膜コイル２１とは螺旋方向が逆である第２の薄膜コイル２２を示す。第２の薄膜コイル２２は、螺旋構造である第２の薄膜巻線２０２からなり、同様に隣接する構造同士が間隔を有する。この間隔は、上述した第１の薄膜コイル２１の構造の間隔と実質的に一致してもよく、不一致であってもよい。同様に、第２の薄膜巻線２０２は、外側には外部と接続するための第２の接続ポート２０４を有し、内側の終端には第２の巻線終端２０８を有する。

上述した薄膜コイル（第１の薄膜コイル２１、第２の薄膜コイル２２）では、電力が提供されると、電流が各コイルの外部と接続するための接続ポート（第１の接続ポート２０３、第２の接続ポート２０４）を介して巻線終端（第１の巻線終端２０７、第２の巻線終端２０８）へと流れ、これにより誘導電磁界を形成することができる。

本発明の構成上、第１の薄膜コイル２１及び第２の薄膜コイル２２は、実際の要求に基づいて、螺旋構造における隣接する巻線の間隔が同一となるようにしてもよく、また異なるようにしてもよく、更に同一の巻き数又は異なる巻き数を含むようにしてもよく、ひいてはコイル面積も異なるようにしてもよい。

材料について言えば、好ましくは、第１の薄膜コイル２１、第２の薄膜コイル２２を形成する薄膜巻線（２０１、２０２）は、可撓性の銅薄膜であってもよいが、実際に適用する場合、材料は銅に限定されない。薄膜コイルの螺旋構造は、矩形螺旋構造又は円形螺旋構造であるが、実際に適用する場合、当該螺旋構造はこれらに限定されない。

本実施例において、上述した薄膜コイルを結合して、例えば基板の２つの表面にそれぞれ上述した第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルを結合することで、薄膜コイル素子を形成することができる。図３Ａは、本発明に係る薄膜コイル素子の実施例を示した図である。

図３Ａは、薄膜コイル素子の断面図である。本発明に係る薄膜コイル素子は、基板３０を有し、基板３０の両側表面にそれぞれ第１の薄膜コイル２１及び第２の薄膜コイル２２を結合してなり、下方には２つの薄膜コイル（２１、２２）の薄膜巻線における第１の接続ポート２０３及び第２の接続ポート２０４を有する。第１の薄膜コイル２１と第２の薄膜コイル２２との間は、電気的接続手段を介して電気的に接続される。例えば、基板３０を貫通するコイル接続部３０１によって、２つの薄膜コイル（２１、２２）内部の巻線終端、即ち図２Ａ、図２Ｂに示す第１の巻線終端２０７及び第２の巻線終端２０８が接続される。このように、薄膜コイル素子における２組の薄膜コイルが直列接続されることによって、誘導起電力及び誘導電流量が向上する。従って、同一面積において２倍の誘導電磁界を有することができる、又は、一定の誘導電磁界の要求に対して、半分の面積で要求を達成することができるようになる。

基板３０の両側に第１の薄膜コイル２１及び第２の薄膜コイル２２が結合され、実際の適用においては接着剤を用いて結合することができる。コイル上の薄膜巻線によって形成される螺旋構造は同一となり、第１の接続ポート２０３と第２の接続ポート２０４との間の電流は、方向が一致する誘導電磁界を形成することができる。また、螺旋構造において隣接するコイル構造同士の間隔も実質的に同一とすることができるが、但し、実際の要求に基づいて異なる間隔とすることを排除しない。

図３Ｂは、本発明に係る薄膜コイル素子の他の実施例を示した図である。

図３も同様に薄膜コイル素子の断面図を示す。但し、基板３０の両側の表面にそれぞれまず接着層３０３及び接着層３０４が形成された後、第１の薄膜コイル２１及び第２の薄膜コイル２２が接着層３０３及び接着層３０４を介してそれぞれ基板３０の両側の表面に結合される。特に、ここで言う接着層は、光硬化（light curing）、熱硬化（thermal curing）又はその他の硬化特性を有する接着層材料であってもよく、更に磁性材料が含有されてもよい。当該磁性材料は、例えば接着層材料内に含有される強磁性粒子である。

薄膜コイル素子の下方には、それぞれ第１の薄膜コイル２１及び第２の薄膜コイル２２の薄膜巻線の第１の接続ポート２０３及び第２の接続ポート２０４を有する。第１の薄膜コイル２１と第２の薄膜コイル２２との間は、電気接続手段を用いて電気的に接続される。本実施例においては、基板３０と接着層３０３、接着層３０４とを貫通するコイル接続部３０１'によって、２つの薄膜コイル（２１、２２）内部の巻線終端が電気的に接続される。本実施例において、磁性材料を含有する接着層（３０３、３０４）によって、薄膜コイル素子の電磁誘導能力及び磁場安定性を増強することができるため、更に誘導起電力及び誘導電流量が向上する。

図３Ｃは、本発明に係る薄膜コイル素子の斜視図である。図３Ｃから分かるように、基板３０の両側表面にはそれぞれ第１の薄膜コイル２１及び第２の薄膜コイル２２が結合され、第２の薄膜コイル２２は図３Ｃで見た場合の基板３０の下側に位置する。従って、第２の薄膜コイル２２は破線で示す。図３Ｃにおいては、薄膜コイル素子において厚さの薄い接着層（３０３、３０４）を省略している。

本実施例において、第１の薄膜コイル２１が有する外部回路と接続するための第１の接続ポート２０３と、第２の薄膜コイル２２の第２の接続ポート２０４の両者は、基板３０における位置を所定距離ずらして配置されている。薄膜コイル（２１、２２）は、内側にそれぞれ第１の巻線終端２０７及び第２の巻線終端２０８を有する。図３Ａに示すように、コイル接続部３０１は、第１の巻線終端２０７と第２の巻線終端２０８とを電気的に接続する。他の実施例において、第１の巻線終端２０７及び第２の巻線終端２０８は、それぞれ電気接続ケーブルを介して他の外部回路に接続される。

図４は、薄膜コイル素子の他の実施例を示した図である。本実施例において、基板４０の両側には、それぞれ第１の薄膜コイル４１及び第２の薄膜コイル４２が結合されている。２つの薄膜コイルの尾端はそれぞれ第１の接続ポート４０３及び第２の接続ポート４０４である。本実施例において、第１の接続ポート４０３及び第２の接続ポート４０４は、位置が基板４０を挟んで重なり合うように配置されている。本実施例における高利得立体薄膜コイルの両側の第１の接続ポート４０３及び第２の接続ポート４０４が、基板４０における重なり合う位置に設けられることによって、関連する装置の小型化を実現するのに有利となるように、ケーブル接続に要する面積を低減することができる。

更に、図５に示すように、上述した薄膜コイルが基板に形成される（又は磁性材料を含有する接着層を有する）実施形態においては、他の実施例として、更に薄膜コイルにおける螺旋構造の薄膜巻線の中心部位に薄膜磁心が形成されてもよい。

本実施例において、薄膜巻線５０１によって、ある螺旋方向で薄膜コイル５１が形成される。薄膜コイル５１は、外側末端には接続ポート５０３を有し、内側には巻線終端５０７を有する。特に、コイルの中間部位には薄膜磁心５０５が含まれる。好ましくは、この磁性物質は、強磁性材料からなり、薄膜巻線５０１の誘導電流及び誘導起電力を向上させることができ、或いはコイルの位置決めに用いられることができる。本実施例の薄膜コイルが薄膜コイル素子として組み合わせられた場合、第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルの誘導電磁界及び誘導起電力をそれぞれ増強することができると共に、渦電流損を低減することができる。

図６Ａに示すように、更に他の実施例において、薄膜磁心（図５における５０５）を有する２組の薄膜コイル（５１）が組み合わされる。この断面図に示すように、基板６０の両側の表面には同一の巻線構造方向を有する薄膜コイル５１及び薄膜コイル５１'がそれぞれ形成されている。薄膜コイル５１及び薄膜コイル５１'の巻線端部は、外部と接続するための接続ポート５０３及び接続ポート５０３'である。コイルの中心位置にはそれぞれ薄膜磁心５０５及び薄膜磁心５０５'を有する。同様に、薄膜コイル５１と薄膜コイル５１'とは、コイル接続部６０１を用いて薄膜コイル５１及び薄膜コイル５１'の巻線終端を介して電気的に接続され、互いに直列接続されている。

図６Ｂに示すように、基板６０の両側の表面にまず接着層６０３及び接着層６０４が形成された上で、両側の薄膜コイル５１及び薄膜コイル５１'が結合されることで、同様に両側の薄膜磁心５０５及び薄膜磁心５０５'が組み合わされる。その後、コイル接続部６０１'で貫通され、両側の薄膜コイル７１及び薄膜コイル７１'の巻線終端が電気的に接続されて相互に直列接続される。薄膜コイル５１及び薄膜コイル５１'の巻線終端は、外部と接続するための接続ポート５０３及び接続ポート５０３'である。接着層６０３及び接着層６０４は、好ましくは、薄膜コイル素子の電磁誘導能力及び磁場安定性を増強することができるように、磁性材料を有する接着層材料を含有してもよい。

図７に示すように、他の実施例において、薄膜コイルは、磁性薄膜７０に形成される。磁性薄膜７０は、フェライトによって形成されることができ、薄膜巻線７０１によって形成される薄膜コイル７１の誘導電流及び誘導起電力を効果的に増強することができると共に、渦電流損を低減することができる。

本実施例における薄膜コイル７１は、同様に螺旋構造の薄膜巻線７０１からなる。薄膜巻線７０１は導体であり、その構造において螺旋構造における隣接構造は間隔を有する。特に、薄膜コイル７１における薄膜巻線７０１の２つの端部には、それぞれ接続回路を用いて外部と接続するための接続ポート７０３が形成される。また同様に、接続ポート７０３における２つの端部に流れた電流によって誘導電磁界が形成される。

次いで、図８は、本発明に係る薄膜コイル素子の１つの実施例を示した図である。本実施例における薄膜コイル素子も、先ず基板８０が用意され、基板８０の両側表面に、それぞれ図７に示す磁性薄膜７０及び磁性薄膜７０'に形成された薄膜コイル７１及び薄膜コイル７１'が結合されている。即ち、基板８０の両側の薄膜コイル７１及び薄膜コイル７１'は、それぞれ磁性薄膜７０及び磁性薄膜７０'に形成され、組み合わされた後、コイル接続部８０１で貫通することで、両側の薄膜コイル７１及び薄膜コイル７１'の巻線終点が電気的に接続され、薄膜コイル７１及び薄膜コイル７１'が磁性薄膜７０及び磁性薄膜７０'を挟んで基板８０に結合される。

図９は、本発明に係る薄膜コイル素子の他の実施例を示した図である。本実施例における薄膜コイル７１及び薄膜コイル７１'は、予め磁性薄膜に形成されるのではなく、直接磁性基板９０に設けられる。そしてコイル接続部９０１が形成されることで、磁性基板９０を介して両側の薄膜コイル７０及び薄膜コイル７１'が電気的に接続される。即ち、磁性基板９０の両側にそれぞれ特定の螺旋方向の複数の巻き数を有するコイルが直接結合されることで、本実施例の薄膜コイル素子が形成される。フェリ磁性材料によって製作された磁性基板９０により、誘導電流及び誘導起電力を効果的に増強することができる。

上述した実施例それぞれにおける薄膜コイル素子では、薄膜磁心を有するか、磁性薄膜、磁性接着層又は磁性基板に形成されるかを問わず、第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルに関連する磁性材料の磁場の方向は同一でなければならない。これら薄型化及び立体化された構成とした実施形態では、無線充電に用いられる高利得立体（３Ｄ）薄膜コイルを形成することができるため、誘導電磁界の効果及び磁場安定性を向上させるのに寄与すると共に、無線充電モジュールを可撓化及び薄型化して、関連する充電装置又はモジュール全体の厚さを大幅に低減することも可能である。材料について言えば、薄膜コイル素子における薄膜磁心、磁性薄膜又は磁性基板の材料は、常磁性又は軟磁性の材料であってもよい。

図１０Ａ乃至図１０Ｅは、本発明に係る薄膜コイル素子の製造方法のフローを示した図である。本実施例では、薄膜コイル素子の電磁誘導能力及び磁場安定性を増強することができる薄膜コイル素子の製造方法を説明する。

まず、図１０Ａに示すように、基板１０１を用意する。次いで、基板１０１の両側の表面に接着層材料１０２及び接着層材料１０３を形成する。図１０Ｂに示すように、この接着層材料１０２及び接着層材料１０３には、薄膜コイル素子全体の電磁誘導能力及び磁場安定性を増強して、薄膜コイル素子の電磁変換効率が改善され、誘導起電力又は誘導電流量が一層効率よく生成されるようにするために、例えば強磁性粒子である磁性材料が含有されてもよい。接着層材料１０２及び接着層材料１０３の形成方法は、後続の工程において導電材料層１０４及び導電材料層１０５を貼着する際の媒質として、例えば光硬化、熱硬化又はその他硬化特性を有する接着性材料を塗布する。

図１０Ｃに示すように、接着層材料１０２及び接着層材料１０３に導電材料層１０４及び導電材料層１０５を形成する。その工程においては、例えば圧着、めっき、スパッタリング等の方法で金属又はその他の導電材料層を形成する。接着層材料１０２及び接着層材料１０３、並びに導電材料層１０４及び導電材料層１０５の工程が完了すると、硬化工程を行うことで、導電材料層１０４及び導電材料層１０５を基板１０１の両側に結合させる。

本実施例において、上述した基板１０１とその両側の接着層材料１０２及び接着層材料１０３との組み合わせ構造以外に、更にコイルの構成に応じてエッチングにより導電材料層１０４及び導電材料層１０５にパターニングを施すことで、基板１０１の両側の表面に薄膜コイル１０４'及び薄膜コイル１０５'をそれぞれ製作する。薄膜コイル１０４'及び薄膜コイル１０５'が、磁性材料を含有する接着層材料（１０２、１０３）及びエッチングにより成形された導電層に形成され、これらの組み合わせによって薄膜コイル素子が形成される。図１０Ｄに示すように、基板１０１及びその関連構造の上方に、螺旋構造の第１の薄膜コイル１０４'が形成され、下方には第２の薄膜コイル１０５'が形成される。この薄膜コイル素子において、各薄膜コイル（１０４'、１０５'）は、接着層材料（１０２、１０３）を介して基板１０１の両側に形成される。各薄膜コイルは同様に螺旋構造の薄膜巻線（第１の薄膜巻線、第２の薄膜巻線）からなり、螺旋構造の隣接構造は間隔を有し、両側の巻線の間隔は同一であってもよく異なっていてもよい。薄膜巻線の外側には、それぞれ外部と接続するための接続ポートを有する。薄膜巻線の内側の構造は、第１の薄膜コイル１０４'と第２の薄膜コイル１０５'とに電気的に接続されるコイル接続部を含む。

エッチング工程においては、接着層の磁性材料と薄膜コイルの構造特徴が一致するように、硬化が完了した接着層材料１０２及び接着層材料１０３並びに導電材料層１０４及び導電材料層１０５を同時にパターニングすることもできる。

図１０Ｅに示すように、本実施例において、基板１０１の第１の薄膜巻線及び第２の薄膜巻線等の螺旋構造が形成された場合、中心部の空間を空けることができ、この部位にそれぞれ薄膜磁心（１１０）を形成することで、薄膜巻線の誘導電流及び誘導起電力を向上させることができ、或いはコイルの位置決めに用いられることができる。

本実施例において、基板１０１と両側の接着層材料１０２及び接着層材料１０３との組み合わせによる構造以外に、エッチング工程によって螺旋構造の第１の薄膜コイル１０４''及び第２の薄膜コイル１０５''を形成することができ、両側にはそれぞれ薄膜磁心１１０を有する（図１０Ｅでは他側の薄膜軸心が見えない位置にある）。

図１１は、本発明に係る薄膜コイル素子を組み合わせてなる充電装置の実施例を示した図である。

充電装置１１では、キャリアを用いて１つ又は複数（１層又は複数層）の薄膜コイル素子１１１を結合している。キャリアは、例えば電子装置のハウジングであり、内部に薄膜コイル素子１１１を取付けることができる。充電装置１１は、通電することによって、誘導電磁界を生成して、装置端薄膜コイル素子１１７が設けられた電力消費装置１１５を充電することができる。薄膜コイル素子１１１は、上述した各実施例で述べたように、それぞれ基板及び基板の両側の表面に形成された第１の薄膜コイル、第２の薄膜コイルを含む。２組の薄膜コイルの間は、特定の電気的接続手段によって電気的に接続することが可能であり、少なくとも、コイル接続部を用いて各薄膜コイル内の巻線終端を電気的に接続する形態でもよいし、或いは外部回路を介して各薄膜コイルの巻線終端及び接続ポートを電気的に接続する形態でもよい。

図１１に示すように、他の実施例において、充電装置１１のキャリアが複数のアレイ形式の薄膜コイル素子１１１を含むことにより、充電装置１１の平面において、均一な誘導電磁界が生成され、充電装置１１に置かれた電力消費装置１１５を充電することができる。

充電装置１１には、１つ又は複数の薄膜コイル素子１１１に電気的に接続され、且つ電源１１４に接続された電源管理ユニット１１３が設けられており、装置内の電力配分を管理することができる。電源管理ユニット１１３を用いることで、通電された１つ又は複数の薄膜コイル素子１１１により、充電装置１１上に置かれた電力消費装置１１５を充電することができる。この電力消費装置１１５内には、対応する装置端薄膜コイル素子１１７が設けられていなければならない。即ち、電力消費装置１１５内の装置端薄膜コイル素子１１７は、充電装置１１内の薄膜コイル素子１１１によって生成された誘導電磁界を受けて充電用の誘導電流を生成し、電力消費装置１１５内の充電電池を充電することができ、これによって無線充電の目的が達成される。

以下、本発明に係る薄膜コイルの実施例を説明する。

薄膜コイル素子は、２つの平面薄膜コイル（Ａ面及びＢ面）を含み、基板によって隔てられている。実験によれば、Ａ面を構成する薄膜コイルの内径を２センチメートルとした場合、Ａ面における巻き数を１０回としなければ得られない強さの誘導電磁界でも、立体両面の構成では、Ａ面における巻き数を６回、Ｂ面における巻き数を２回とすれば、それと同等の強さの誘導電磁界を得ることができた。これにより、本発明の構成を用いることで、誘導電磁界を得るための巻き数及び巻線抵抗を低減することが証明された。

単一の薄膜コイルの構成では、Ａ面のみの構成とした場合、誘導起電力又は誘導電流はコイル内径に反比例し、巻き数に正比例する。例えば、コイルの線径を１ミリメートルに、厚さを０．５ミリメートルに、内径を２センチメートルに固定した場合、薄膜コイルは巻き数６回で誘導電磁界に反応する。この条件における誘導電磁界は、内径が１．５センチメートルで、巻き数が７回の薄膜コイルの場合と同等であり、また内径が１センチメートルで、巻き数が８回の薄膜コイルの場合と同等である。

上述した誘導起電力又は誘導電流は、コイル内径に反比例し、巻き数に正比例する。従って、上述した薄膜コイルと同一の概念を用いた薄膜コイルを別途Ｂ面においてＡ面のコイルと同一方向に設けることによって、誘導起電力及び電流量を損なうことなく、全体のコイル数と巻線の電気抵抗値を効果的に低減することができ、同時に無線充電の効率を向上させることができる。

図１２は、本発明に係る薄膜コイル素子を用いて製作した充電装置の発射端の発射信号波形を示した図である。図１３は、電力消費装置の受信端における誘導信号波形を示した図である（片面薄膜コイル）。

図１２及び図１３における曲線で囲まれた面積は、誘導電磁界の電力変換効率を示す。例えば、下記式（１）で計算した結果、得られた電力変換効率は約７１．９５％である。式中、Ａ１は発射端の曲線包囲面積、Ａ２は受信端の曲面発射面積をそれぞれ示す。図中、横軸は時間軸であり、縦軸の振幅は信号エネルギーを示す。
Ａ２／Ａ１＝２３８／３３０．７５
＝０．７１９５
＝７１．９５％…式（１）

図１４は、両面に薄膜コイルを有する立体螺旋構造の薄膜コイル素子における、受信端の誘導信号波形を示した図である。式（２）において、Ａ１を発射端の曲線包囲面積とし、Ａ３を受信端の曲面発射面積として計算した結果、得られた電力変換効率は約７９．２３８％である。即ち、片面薄膜コイルの電力変換効率（７１．９５％）よりも優れている。
Ａ３／Ａ１＝２６２．０８／３３０．７５
＝０．７９２３８
＝７９．２３８％…式（２）

本発明に係る薄膜コイルにおける薄膜巻線の線電気抵抗分布は０．０００１オーム（ｏｈｍ）〜１００オームであり、好ましくは、コイルの線電気抵抗は０．０５〜０．１オーム（ｏｈｍ）／平方センチメートル（ｃｍ^２）であり、線径は０．５マイクロメートル（ｕｍ）〜１０ミリメートル（ｍｍ）である。好ましくは、コイルの線径は０．４５〜２ミリメートルである。線間隔は、コイルの螺旋構造における隣接構造の間隔であり、１マイクロメートル〜１０ミリメートルであり、好ましくは、５〜１７０マイクロメートルである。薄膜（例えば銅）の厚さは、０．３マイクロメートル〜１０ミリメートルであり、好ましくは、１０〜１４０マイクロメートルである。薄膜の面電気抵抗率は、０．１〜０．０００００６オーム（ｏｈｍ）／平方センチメートル（ｃｍ^２）であり、好ましくは、０．００００１−０．０００３オーム（ｏｈｍ）／平方センチメートル（ｃｍ^２）である。

コイルの構成について言えば、コイルの巻線抵抗は低いほど好ましいが、立体薄膜コイルの構成を考慮した場合、高利得立体薄膜コイルの基板としては、可撓性ガラス、酸化アルミニウム板、ＰＣＢ軟質／硬質板、ＡＢＳ軟質／硬質板、ＰＥＴ薄膜、ＰＩ薄膜、磁性薄膜（例えば、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｏ又はＦｅ−Ｍｎ−Ｚｎ−Ｏ又はＦｅ−Ｎｉ−Ｚｎ−Ｏのフェライト（Ferrite）薄膜をＰＥＴ基板にスパッタリングしたもの。或いは、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｏ又はＦｅ−Ｍｎ−Ｚｎ−Ｏ又はＦｅ−Ｎｉ−Ｚｎ−Ｏのフェライト粉体と高分子樹脂を結合した複合材料基板）等の低導電率・高誘電率材料を用いてもよい。また、磁性ナノフェライト粒子が有する超常磁性を用いて誘導電磁界を向上させることもできる。

薄膜コイル及び磁性薄膜の製作方法としては、スパッタリング、蒸着、めっき、化学めっき、コーティング、凹版・凸版印刷、スクリーン印刷、フォトプロセス（露光、リソグラフィ、エッチング）、膜接着、転写等の方法を用いることができる。

このように、本発明に係る薄膜コイル、薄膜コイル素子及び充電装置は、薄型化、可撓化及び立体化の構成によって、無線充電に用いられる高利得立体薄膜コイルとして形成される。本発明における実施例では、薄膜コイルは、主として円形螺旋の形式で構成されるが、実際の要求に応じた他の構成形式を排除しない。例えば、矩形螺旋であってもよいし、他の形状の螺旋であってもよい。螺旋構造において、所定の幅を有する環状又は矩形の構造を形成し、通電することで従来の銅線コイルにおける誘導電磁界を生成する効果を奏することができる上に、従来の銅線材料に比べて電気抵抗によって生じる損失が小さいことから、単位面積当たりの発電効率を効果的に向上させることが可能であり、薄膜コイルにおける利得不足の欠点を解消することができる。

以上は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の特許請求の範囲に基づいてなされた均等な変更及び修正は、いずれも本発明の範囲に含まれる。

２１、４１ 第１の薄膜コイル
２２、４２ 第２の薄膜コイル
２０１ 第１の薄膜巻線
２０２ 第２の薄膜巻線
２０３、４０３ 第１の接続ポート
２０４、４０４ 第２の接続ポート
２０７ 第１の巻線終端
２０８ 第２の巻線終端
３０１、３０１'、６０１、８０１、９０１ コイル接続部
３０３、３０４、６０３、６０４ 接着層
３０、４０、６０、８０ 基板
５１、５１' 、７１、７１' 薄膜コイル
５０１、７０１ 薄膜巻線
５０３、５０３' 、７０３ 接続ポート
５０５、５０５' 薄膜磁心５０７ 巻線終端
７０、７０' 磁性薄膜
９０ 磁性基板
１０１ 基板
１０２、１０３ 接着層材料
１０４、１０５ 導電材料層
１０４'、１０４'' 第１の薄膜コイル
１０５'、１０５'' 第２の薄膜コイル
１１０ 薄膜磁心
１１ 充電装置
１１１ 薄膜コイル素子
１１３ 電源管理ユニット
１１４ 電源
１１５ 電力消費装置
１１７ 装置端薄膜コイル素子

Claims (20)

1. 導体であり、外側に外部と接続するための接続ポートを有し、内側に巻線終端を有する薄膜巻線を、隣接構造が間隔を有する螺旋構造に構成し、前記接続ポートと前記巻線終端との間に流れる電流によって誘導電磁界が形成されることを特徴とする薄膜コイル。
2. 前記薄膜巻線の線電気抵抗分布は、０．０００１オーム〜１００オームであり、
   前記薄膜コイルの線径は、０．５マイクロメートル〜１０ミリメートルであり、
   前記薄膜コイルの線間隔は、前記螺旋構造における隣接構造の間隔であり、１マイクロメートル〜１０ミリメートルであり、
   前記薄膜の厚さは、０．３マイクロメートル〜１０ミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜コイル。
3. 前記薄膜巻線は、可撓性の銅薄膜であり、
   前記螺旋構造は、矩形螺旋構造又は円形螺旋構造であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜コイル。
4. 基板と、
   前記基板の第１の表面に形成され、螺旋構造の第１の薄膜巻線からなり、前記第１の薄膜巻線の前記螺旋構造における隣接構造が間隔を有し、前記第１の薄膜巻線の外側に外部と接続するための第１の接続ポートを有し、前記第１の薄膜巻線の内側に第１の巻線終端を有する第１の薄膜コイルと、
   前記基板の第２の表面に形成され、螺旋構造の第２の薄膜巻線からなり、前記第２の薄膜巻線の前記螺旋構造における隣接構造が前記間隔と同一又は異なる距離を有し、前記第２の薄膜巻線の外側に外部と接続するための第２の接続ポートを有し、前記第２の薄膜巻線の内側に第２の巻線終端を有する第２の薄膜コイルと、
   前記第１の薄膜コイルと前記第２の薄膜コイルとを電気的に接続する電気的接続手段と、を含み、
   前記第１の薄膜コイル及び前記第２の薄膜コイルが前記基板の２つの表面に結合されると共に、前記第１の薄膜巻線の螺旋方向と前記第２の薄膜巻線の螺旋方向とが同一であり、前記第１の接続ポートと前記第２の接続ポートとの間に流れる電流によって誘導電磁界が形成されることを特徴とする薄膜コイル素子。
5. 前記第１の薄膜コイルと前記第２の薄膜コイルとが電気的に接続されるように、コイル接続部によって前記第１の巻線終端と前記第２の巻線終端とを電気的に接続することを特徴とする請求項４に記載の薄膜コイル素子。
6. 前記第１の薄膜コイル及び前記第２の薄膜コイルは、それぞれ磁性薄膜に形成された上で、前記基板の２つの表面に結合されることを特徴とする請求項４に記載の薄膜コイル素子。
7. 前記基板は、磁性基板であることを特徴とする請求項４に記載の薄膜コイル素子。
8. 前記基板と前記第１の薄膜コイル又は前記第２の薄膜コイルとの間に、磁性材料を含有する接着層が設けられることを特徴とする請求項５乃至７に記載の薄膜コイル素子。
9. 前記磁性材料は、前記接着層の材料に含有される強磁性粒子であることを特徴とする請求項８に記載の薄膜コイル素子。
10. 前記接着層の材料は、光硬化材料又は熱硬化材料であることを特徴とする請求項９に記載の薄膜コイル素子。
11. 前記螺旋構造の前記第１の薄膜巻線及び前記第２の薄膜巻線の中心部位には、それぞれ薄膜磁心が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の薄膜コイル素子。
12. 請求項４に記載の薄膜コイル素子を製造する方法であって、
    基板を用意する工程と、
    前記基板の両側に、磁性材料を含有すると共に硬化特性を有する接着層を形成する工程と、
    前記基板の両側の前記接着層に、それぞれ導電材料層を形成する工程と、
    硬化プロセスを実行することで、前記導電材料層を前記基板の両側に結合させる工程と、
    前記基板の一側及び他側において、それぞれ前記導電材料層にエッチングを施すことにより、第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルをそれぞれ形成する工程において、前記第１の薄膜コイルは、前記一側の前記接着層を介して前記基板の第１の表面に形成されており、隣接構造が間隔を有する螺旋構造の第１の薄膜巻線からなり、前記第１の薄膜巻線の外側に外部と接続するための第１の接続ポートを有し、前記第１の薄膜巻線の内側に第１の巻線終端を有し、前記第２の薄膜コイルは、前記他側の接着層を介して前記基板の第２の表面に形成されており、隣接構造が前記間隔と同一の又は異なる距離を有する螺旋構造の第２の薄膜巻線からなり、前記第２の薄膜巻線の外側に外部と接続するための第２の接続ポートを有し、前記第２の薄膜巻線の内側に第２の巻線終端を有する、第１の薄膜コイル及び第２の薄膜コイルをそれぞれ形成する工程と、
    前記第１の薄膜コイルと前記第２の薄膜コイルとを電気的に接続させるコイル接続部を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする薄膜コイル素子の製造方法。
13. 前記磁性材料は、前記接着層の材料に含有される強磁性粒子であることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜コイル素子の製造方法。
14. 前記第１の薄膜コイル及び前記第２の薄膜コイルの螺旋構造の中心部位には、それぞれ薄膜磁心が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜コイル素子の製造方法。
15. 装置端薄膜コイル素子を有する電力消費装置を充電するための充電装置であって、
    基板と、
    前記基板の第１の表面に形成され、螺旋構造の第１の薄膜巻線からなり、前記第１の薄膜巻線の前記螺旋構造における隣接構造が間隔を有し、前記第１の薄膜巻線の外側に外部と接続するための第１の接続ポートを有し、前記第１の薄膜巻線の内側に第１の巻線終端を有する第１の薄膜コイルと、
    前記基板の第２の表面に形成され、螺旋構造の第２の薄膜巻線からなり、前記第２の薄膜巻線の前記螺旋構造における隣接構造が前記間隔と同一又は異なる距離を有し、前記第２の薄膜巻線の外側に外部と接続するための第２の接続ポートを有し、前記第２の薄膜巻線の内側に第２の巻線終端を有する第２の薄膜コイルと、
    前記第１の薄膜コイルと前記第２の薄膜コイルとを電気的に接続する電気的接続手段と、
    を含む１つ又は複数の薄膜コイル素子と、
    前記１つ又は複数の薄膜コイル素子を電気的に接続する電源管理ユニットと、を含み、
    各前記薄膜コイル素子の前記第１の薄膜コイル及び前記第２の薄膜コイルが前記基板の２つの表面に結合されると共に、前記薄膜コイル素子の前記第１の薄膜巻線の螺旋方向と前記第２の薄膜巻線の螺旋方向とが同一であり、通電後は前記充電装置において方向が一致する誘導電磁界を形成することを特徴とする充電装置。
16. 前記複数の薄膜コイル素子によって形成された前記充電装置において、前記充電装置が前記複数の薄膜コイル素子を含む場合、前記複数の薄膜コイル素子は、アレイ形式でキャリアに組み合わされることを特徴とする請求項１５に記載の充電装置。
17. 各前記薄膜コイル素子において、前記第１の薄膜コイル及び前記第２の薄膜コイルは、それぞれ磁性薄膜に形成された上で、前記基板の２つの表面に結合されることを特徴とする請求項１５に記載の充電装置。
18. 各前記薄膜コイル素子において、前記基板は磁性基板であることを特徴とする請求項１５に記載の充電装置。
19. 各前記薄膜コイル素子において、前記基板と前記第１の薄膜コイル又は前記第２の薄膜コイルとの間に、磁性材料を含有する接着層が設けられることを特徴とする請求項１５乃至１８に記載の充電装置。
20. 前記螺旋構造の前記第１の薄膜巻線及び前記第２の薄膜巻線の中心部位には、それぞれ薄膜磁心が形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の充電装置。