JP3673566B2

JP3673566B2 - 無接点型充電システム

Info

Publication number: JP3673566B2
Application number: JP20683895A
Authority: JP
Inventors: 毅池田; 努中西; 明岡本
Original assignee: Nigata Semitsu Co Ltd
Current assignee: NSC Co Ltd
Priority date: 1995-06-08
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: JPH08339831A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＩＣカード等に内蔵された二次電池に対して無接点で充電を行う無接点型充電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
最近、半導体技術の発達に伴い各種の回路がカードサイズで実現されている。例えば、メモリカードやＩＣカードあるいはＰＣＭ−ＣＩＡカード等が数多く市場に出回っている。
【０００３】
これらカードサイズの回路が所定の動作を行う場合には何らかの電源が必要となる。ＰＣＭ−ＣＩＡカードはパソコン等の外部の装置に接続して使用するものであるためパソコン等から電源供給を受けることができるが、メモリカードやＩＣカードは単独でデータを保持する必要があるため通常はボタン型電池を内蔵している。
【０００４】
ところで、ＩＣカード等に内蔵されるボタン型電池を二次電池とすることにより、省資源化や使用時の低コスト化が図られるが、ボタン型電池は小型であるため充電時の交換等の取扱いが不便である。また、ＩＣカード等の無接点化を進めていって完全に密閉型の筐体にしようとすると、内蔵した二次電池を取り出さずに充電できるシステムが必要となる。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的はカード型筐体から二次電池を取り出すことなく無接点で効率よく二次電池の充電を行うことができる無接点型充電システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の無接点型充電システムは、カード型筐体に内蔵されて集積回路が形成された半導体チップと、半導体チップ上であってその外周近傍を周回するように成形され、外部の磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する誘導コイルと、前記誘導コイルに発生する誘導起電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧によって充電される二次電池とを備え、前記誘導コイル、整流回路および二次電池をカード型筐体に収納したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の無接点型充電システムは、請求項１において、前記誘導コイルは、集積回路が形成された半導体チップ表面に設けられた複数のパッドの外側を周回するように形成された導体であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の無接点型充電システムは、請求項１において、前記誘導コイルは、集積回路が形成された半導体チップ表面に設けられた複数のパッドの下層を周回するように形成された導体であることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の無接点型充電システムは、請求項２において、前記パッドとパッケージ端子との結線をボンディング・ワイヤによって行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の無接点型充電システムは、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記カード型筐体の両側であって前記誘導コイルを挟持する位置に、通電コイルが巻回された磁芯を配置し、前記通電コイルに対する通電を所定周期で断続することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の無接点型充電システムは、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記カード型筐体の両側であって前記誘導コイルを挟持する位置に、通電コイルが巻回された磁芯を配置し、前記通電コイルに対する通電方向を所定周期で反転させることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
請求項１〜４の発明では、カード型筐体に収納した誘導コイルによって、外部から与えられる磁界の変化に応じた誘導起電力を発生し、これを整流して二次電池に供給しており、二次電池を取り出すことなく充電を行うことができる。
また、半導体チップの外周近傍、具体的にはチップ表面に形成されたパッドの外側あるいは下層に、渦巻き形状の導体を形成することにより上述した誘導コイルを構成しており、チップ上に形成するコイルとしては最も大きな面積を確保することができる。このため、誘導コイルに効率よく誘導起電力を発生させることができ、しかも、半導体チップ上に各種の集積回路とともに誘導コイルを一体形成することができるため、工程の簡略化や製造コストの低減が可能となる。
【００１５】
また、請求項５または６の発明では、カード型筐体の両側に、誘導コイルを挟持するように磁芯が配置されており、この磁芯に巻かれた通電コイルに対する通電を断続、あるいは交番磁界を発生させるように行っている。したがって、誘導コイルに効率よく誘導起電力を発生させることができる。特に、交番磁界を発生させた場合には、磁芯が有するヒステリシスの影響がなくなるため、磁極が反転する周期を短くして磁束の単位時間当たりの変化量を大きく設定することができ、面積が小さな誘導コイルであっても十分に実用的な誘導起電力を発生させて二次電池に効率よく充電を行うことができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の無接点型充電システムを適用した一実施例について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１７】
図１は、一実施例のＩＣカードの概略構造を示す図であり、主に本発明の無接点型充電システムに関係する部分が示されている。
【００１８】
図１に示すように、本実施例のＩＣカード１０は、偏平形状に形成された筐体１２と、この筐体１２に内蔵される誘導コイル１４、整流回路１６および二次電池１８とを含んで構成されている。また、この筐体１２には集積回路２０が内蔵されており、この集積回路２０が二次電池１８に接続されてＩＣカード１０としての所定の動作を行うようになっている。
【００１９】
なお、本実施例のＩＣカード１０は、筐体１２の表面に入出力端子等が露出しない密閉構造となっている。したがって、集積回路２０に対するデータの入出力および二次電池１８に対する充電は電磁誘導等を利用して行われるが、以下では主に二次電池１８に対する充電に着目して説明を行うものとする。
【００２０】
図１に示す誘導コイル１４は、薄膜形成技術等を利用して半導体基板あるいは絶縁基板に渦巻き形状の導体を形成したものであり、筐体１２の表面に平行な偏平形状を有している。したがって、筐体の表面に垂直な成分を有する磁束が存在し、この磁束量が時間とともに変化すると、誘導コイル１４の両端に誘導電圧（交流電圧）が発生する。
【００２１】
整流回路１６は、誘導コイル１４の両端に発生した交流電圧を整流しており、その出力電圧が二次電池１８の両極端子に印加される。誘導コイル１４、整流回路１６、二次電池１８にはこのような接続がなされており、無接点で二次電池１８に対する充電が行われる。
【００２２】
図２は、ＩＣカード１０と対となる充電装置の概略を示す斜視図である。また、図３は図２に示した充電装置内の磁界発生部とＩＣカード１０との位置関係を示す図である。
【００２３】
図２に示すように、本実施例のＩＣカード１０と対になる充電装置２２は、一部にＩＣカード１０が挿入される凹部２４を有しており、この凹部２４にＩＣカード１０を挿入することにより充電が開始される。例えば、凹部２４の底部近傍あるいは側面等にスイッチ（図示せず）が設けられており、ＩＣカード１０を凹部２４に挿入したときにこのスイッチが操作されて、以下に示す充電装置２２内の所定の機構によって磁界が発生するようになっている。
【００２４】
図３に示すように、充電装置２２は、一直線上に配置された一対の磁芯２６、２８と、これら２つの磁芯２６、２８の回りに巻回された２つの界磁用コイル３０、３２と、これら２つの界磁用コイル３０、３２に通電を行う電源３４およびスイッチ３６を含んで構成されている。
【００２５】
磁芯２６、２８のそれぞれは、フェライト等の磁性体材料により形成されており、それら間にはＩＣカード１０の筐体１２の厚みより若干大きな隙間が設けられている。また、充電装置２２の凹部２４にＩＣカード１０を挿入したときに、ＩＣカード１０内の誘導コイル１４が２つの磁芯２６、２８の間にくるように、２つの磁芯２６、２８の高さおよび水平位置が設定されている。
【００２６】
また、電源３４は、２つの界磁用コイル３０、３２に対して通電を行う直流電源であり、スイッチ３６の接続を断続させることにより、界磁用コイル３０、３２に対する通電がオンオフ制御されている。
【００２７】
次に、このような構成を有する本実施例の動作を説明する。
【００２８】
図４は、誘導コイル１４に発生する誘導電圧を示す図である。同図（Ａ）にはスイッチ３６のオンオフ状態が、同図（Ｂ）には誘導コイル１４の両端電圧がそれぞれ示されている。
【００２９】
図４（Ａ）に示すように、スイッチ３６は周期的なオンオフ状態を繰り返して２つの界磁用コイル３０、３２に対する通電が行われる。したがって、磁芯２６、２８間の隙間には同図（Ａ）とほぼ同じパターンの磁束が発生する。一般に、誘導コイル１４には交差する磁束の単位時間当たりの変化量に比例した誘導電圧が発生するため、同図（Ｂ）に示すように、磁束が発生する瞬間あるいは磁束の発生が停止する瞬間に誘導コイル１４の両端には大きな誘導電圧が発生する。
【００３０】
整流回路１６は、誘導コイル１４の両端に交互に現れる極性が反転したパルス状の電圧を、図４（Ｃ）に示すように同一極性の電圧に変換して出力する。
【００３１】
なお、一般に交流信号を直流信号に変換するために用いられる整流回路はコンデンサと抵抗からなる平滑回路を含んでいるが、本実施例の整流回路１６はこの平滑回路を含んでいないため、出力波形の平滑化は行われないようになっている。したがって、図４（Ｃ）に示すパルス状電圧が二次電池１８の両端に直接印加されるため、整流回路１６の出力電圧が二次電池１８の両端電圧よりも高いときに二次電池１８に対する充電が行われる。
【００３２】
また、上述した説明では、磁芯２６、２８間の隙間に図４（Ａ）とほぼ同じパターンの磁束が発生するものとしたが、実際には磁芯２６、２８を通して磁界を発生する際にヒステリシスが存在するため、磁束の変化がなだらかになって誘導コイル１４の両端電圧のピーク値が低下することが考えられる。このピーク値の低下を回避するためには、周期的に界磁用コイル３０、３２に対する通電方向を反転させればよい。
【００３３】
図４（Ｄ）は界磁用コイル３０、３２に対する通電状態を示しており、「ＯＮ」が通電時に、「＋」あるいは「−」が通電方向にそれぞれ対応している。このように、周期的にごく短時間に通電方向を切り換えることにより、磁芯２６、２８間に発生する磁束の方向が切り換わり、ヒステリシスによる弊害を回避することができる。
【００３４】
図５は、図４（Ｄ）に示す通電パターンを実現するための電源３４と界磁用コイル３０、３２との結線の一例を示す図である。２つのスイッチ３８、４０を連動して切り換えることにより、通電方向を瞬時に切り換えることができる。
【００３５】
図６は、半導体チップ上に形成した誘導コイル１４の一例を示す図であり、半導体チップの表面が拡大して示されている。同図において、チップ５０にはＩＣカード１０に内蔵された集積回路２０が形成されており、その表面の外周近傍にはパッケージ端子（図示せず）との間でワイヤによりボンディングを行うための複数のボンディング・パッド５２が設けられている。
【００３６】
また、チップ５０の表面近傍であって複数のボンディング・パッド５２のさらに外側には、所定ターン数のインダクタ導体により構成される誘導コイル１４が渦巻き形状に、すなわち複数のボンディング・パッド５２の回りを周回するように形成されている。
【００３７】
上述したチップ５０は、例えばｎ型シリコン基板やその他の半導体材料（例えばゲルマニウムやアモルファスシリコン等の非晶質材料）が用いられる。また、誘導コイル１４は、アルミニウムや金等の金属薄膜あるいはポリシリコン等の半導体材料が用いられており、マスクパターンを変えるだけで従来から用いられている各種の半導体製造手法によって形成することができる。
【００３８】
図７は、図６に示したチップを用いてパッケージを形成した場合のボンディングの一例を示す平面図である。また、図８はボンディングの一例を示す側面図である。
【００３９】
チップ５０にはその外周近傍に渦巻き形状の誘導コイル１４が形成されているが、ボンディング・パッド５２とパッケージ端子５６との間は図７および図８に示すようにボンディング・ワイヤ５８を用いて結線される。したがって、このような結線を行う際にボンディング・パッド５２の外側に形成された誘導コイル１４が障害となることはなく、従来から用いられているボンディング装置をそのまま流用して、本実施例のチップ５０を用いたＩＣの製造を行うことができる。
【００４０】
このように、チップ５０の表面に設けられた複数のボンディング・パッド５２の外側に渦巻き形状の誘導コイル１４が設けられているため、このチップ５０に形成可能なコイルとしては最も大きな面積を確保することができる。しかも、誘導コイル１４を集積回路２０を製造する工程で同時に製造することができるため、工程の簡略化やコスト低減が可能となる。
【００４１】
また、チップ５０上に集積回路を形成する際には、各種の能動素子や受動素子の配置等を検討する必要があるが、本実施例ではボンディング・パッド５２の外側に誘導コイル１４を形成しているため、誘導コイル１４と集積回路の他の構成との物理的な干渉等を考慮する必要がなく設計が容易となる。
【００４２】
また、ボンディング・パッド５２とパッケージ端末５６との結線をボンディング・ワイヤ５８によって行う場合には、ボンディング・ワイヤ５８がジャンパ線となるためこのボンディング・ワイヤ５８の下側に形成された誘導コイル１４が結線の邪魔にならず、従来の手法によって半導体装置を製造することができる。
【００４３】
また、図６に示すチップ５０においては、ボンディング・パッド５２の外側に誘導コイル１４を形成したが、ボンディング・パッド５２の下層に誘導コイル１４を形成することもできる。
【００４４】
図９は、ボンディング・パッドの下層に誘導コイル１４を形成したチップの概略構造を示す図である。一般に、ボンディング・パッド５２のそれぞれは、ワイヤボンディングを行うためにある程度の面積を必要とする。したがって、ボンディング・パッド５２の下層に誘導コイル１４を形成することにより、チップ５０の有効利用を図ることができ、誘導コイル１４を形成した場合であってもチップ面積をほとんど増加せずにすむ利点がある。
【００４５】
このように、上述した本実施例においては、ＩＣカード１０内に誘導コイル１４を形成しておいて、外部に生じる磁束の変化に応じた誘導電圧を発生させて二次電池１８に対する充電を行っている。したがって、外部との間で接点を介さずに無接点型の充電システムを実現することができる。特に、半導体チップを利用してその外周近傍に誘導コイル１４を形成した場合には、ＩＣカード１０に内蔵する集積回路２０と同時にこの誘導コイル１４を形成することができ、工程の簡略化等が可能となる。
【００４６】
また、この場合にはそれ程大きな誘導コイル１４を形成することはできないが、この誘導コイル１４を挟持する位置に界磁用コイル３０、３２が巻回された磁芯２６、２８を配置し、これら２つの磁芯２６、２８間に位置する誘導コイル１４に対して周期的に断続する磁束を発生させることにより、瞬間的に大きな誘導電圧が発生し、この大きな誘導電圧によって効率よく二次電池１８に対する充電を行うことができる。特に、界磁用コイル３０、３２に対する通電方向を周期的かつ瞬時に切り換えた場合には、誘導コイル１４と交差する磁束の変化量が大きくなって十分な充電電圧を発生させることができる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００４８】
例えば、上述した実施例ではＩＣカード１０に内蔵された二次電池１８の充電を行う場合を例にとり説明したが、内蔵された二次電池を無接点で充電するものであればメモリカードやその他の装置にも適用することができる。
【００４９】
また、上述した実施例では、充電装置２２内に２つの磁芯２６、２８を備え、それぞれに界磁用コイル３０、３２を巻回す場合を説明したが、図１０に示すように２つの界磁用コイル３０、３２の各一方端同士を連結して漏れ磁束を減らし、誘導コイル１４と交差する磁束密度を上げることもできる。
【００５０】
【発明の効果】
上述したように請求項１の発明によれば、カード型筐体に収納した誘導コイルによって、外部から与えられる磁界の変化に応じた誘導起電力を発生し、これを整流して二次電池に供給しており、二次電池を取り出すことなく充電を行うことができる。
【００５１】
また、請求項２〜５の発明によれば、半導体チップの外周近傍、具体的にはチップ表面に形成されたパッドの外側あるいは下層に、渦巻き形状の導体を形成することにより上述した誘導コイルを構成しており、チップ上に形成するコイルとしては最も大きな面積を確保して効率よく誘導起電力を発生させることができる。また、半導体チップ上に各種の集積回路とともに誘導コイルを一体形成することができるため、工程の簡略化や製造コストの低減が可能となる。
【００５２】
また、請求項６または７の発明によれば、カード型筐体の両側に、誘導コイルを挟持するように磁芯が配置されており、この磁芯に巻かれた通電コイルに対する通電を断続、あるいは交番磁界を発生させており、効率よく誘導起電力を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無接点型充電システムを適用した一実施例のＩＣカードの概略構造を示す図である。
【図２】図１に示すＩＣカード内の二次電池に充電を行う充電装置の概略を示す斜視図である。
【図３】図２に示した充電装置内の磁界発生部とＩＣカードとの位置関係を示す図である。
【図４】誘導コイルに発生する誘導電圧を示す図である。
【図５】充電装置内の電源と界磁用コイルとの結線の他の例を示す図である。
【図６】半導体チップ上に形成した誘導コイルの一例を示す平面図である。
【図７】図６に示したチップを用いてパッケージを形成した場合のボンディングの一例を示す平面図である。
【図８】ボンディングの一例を示す側面図である。
【図９】ボンディング・パッドの下層に誘導コイルを形成したチップの概略構造を示す図である。
【図１０】図２に示した充電装置内の磁界発生部の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０ＩＣカード
１２筐体
１４誘導コイル
１６整流回路
１８二次電池
２０集積回路
２６、２８磁芯
３０、３２界磁用コイル
３４電源
３６スイッチ

Claims

カード型筐体に内蔵されて集積回路が形成された半導体チップと、
前記半導体チップ上であってその外周近傍を周回するように成形され、外部の磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する誘導コイルと、
前記誘導コイルに発生する誘導起電力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧によって充電される二次電池と、
を備え、前記誘導コイル、前記整流回路および前記二次電池を前記カード型筐体に収納したことを特徴とする無接点型充電システム。
請求項１において、
前記誘導コイルは、集積回路が形成された半導体チップ表面に設けられた複数のパッドの外側を周回するように形成された導体であることを特徴とする無接点型充電システム。
請求項１において、
前記誘導コイルは、集積回路が形成された半導体チップ表面に設けられた複数のパッドの下層を周回するように形成された導体であることを特徴とする無接点型充電システム。
請求項２において、
前記パッドとパッケージ端子との結線をボンディング・ワイヤによって行うことを特徴とする無接点型充電システム。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記カード型筐体の両側であって前記誘導コイルを挟持する位置に、通電コイルが巻回された磁芯を配置し、前記通電コイルに対する通電を所定周期で断続することを特徴とする無接点型充電システム。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記カード型筐体の両側であって前記誘導コイルを挟持する位置に、通電コイルが巻回された磁芯を配置し、前記通電コイルに対する通電方向を所定周期で反転させることを特徴とする無接点型充電システム。