JP5782943B2

JP5782943B2 - フェライトプレート

Info

Publication number: JP5782943B2
Application number: JP2011200501A
Authority: JP
Inventors: 後藤　裕二; 裕二後藤; 拉朶; 敏隆橋本; 北岡　幹雄; 幹雄北岡; 充次加藤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: JP2013060332A

Description

本発明は、非接触充電システムにおける磁気損失低減用の磁気シートとして用いて好適なフェライトプレートに関するものである。

近年、RFID（Radio Frequency Identification）と呼ばれるＩＣタグ機能を有する携帯情報端末機においては、電磁誘導方式によるコイルアンテナを用いる無線通信が普及している。ところで、図１４に示すように、これら携帯情報端末機のコイルアンテナにおけるコイル１の近傍には、金属筐体や金属部品など様々な導電体２が配置されている。

そして、上記導電体２には、コイル１から発生する磁束が加わることにより渦電流が発生し、それらは全て磁気損失の要因になるため、コイル１の発生磁界が大きく減衰し、RFID通信距離が短くなる場合や共振周波数がシフトすることにより、無線周波数を送受信することが困難になる場合がある。

そこで従来、図１５に示すように、コイルアンテナのコイル１と導電体２の間に、金属干渉抑制として磁性シート３を配置する構造が多く採用されており、当該磁性シート３としては、一般に樹脂に金属磁性材料を混ぜた金属磁性シートが用いられている。上記構成によれば、磁性シート３によって、上記渦電流の発生を抑えてコイル１の発生磁界が減衰することを抑制することができるという利点がある。

一方、今後期待される非接触充電システムとして、上記電磁誘導方式とは異なる磁気共鳴方式を用いたものがある。この磁気共鳴方式は、２つのコイルを共振器として利用し、給電側のコイルに電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する受電側の共振回路に伝わることで電力伝送を行うものである。

このような磁気共鳴方式を用いた非接触充電システムにおいても、コイル周辺には金属筐体、金属部品など様々な導電体が存在するために、上述したRFIDによるＩＣタグ機能を備えた携帯情報端末機と同様に、渦電流の発生による磁気損失を低減するための磁性シートが必要になる。

ところが、上記RFIDの場合は、信号の伝送であるために通信時にコイル１に流れる電流は微少であり、よって磁性シート３にかかる磁界も僅かであるのに対して、非接触充電システムにおいては、電力の伝送であって送受電時にコイルに大きな電流が流れるために、使用する磁性シートにも大きな磁界が加わる。

このため、磁性シートに求められる特性としては、上記RFIDの場合は、使用する周波数帯域で初透磁率の実数部μ´が高く、かつ虚数部μ″が低いことであるのに対して、非接触充電システムにおいては、使用する周波数帯域で初透磁率の実数部μ’が高く、虚数部μ’’が低いことに加えて、さらに高い振幅電流を入力したときの振幅透磁率特性も重要になる。

このため、RFIDの金属干渉抑制に使用されている金属磁性材料を混ぜた金属磁性シートを上記非接触充電システムにおいて使用すると、高い振幅電流の入力時に、当該金属磁性シートにμ″が発生し、損失が大きくなるとともに、樹脂に金属磁性材料を充填しているために、μ´が低いという問題点があった。

また、上記磁気シートとして金属磁性シートに代えてフェライト等の焼結体を用いた場合には、金属磁性シートに比べて大幅にμ´を高くすることができるが、高い電流振幅の入力時に、同様にμ″が発生するために、損失が大きくなり特性が劣化するという問題点があった。

特開２００８−５０１９１号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微少電流のみならず、高い振幅電流においても磁気損失を効果的に抑制することができ、よって非接触充電システムにおける磁気シーとして好適な高透磁率のフェライトプレートを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明に係るフェライトプレートは、非接触充電システムにおける磁気損失低減用の磁気シートとして用いられるフェライトプレートであって、スピネル型フェライトに、予めスピネル化させたコバルトフェライト（ＣｏＦｅ _２Ｏ _４）を、０．１〜１．６wt％添加してなることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、透磁率が高く、かつ高周波数量域における渦電流損失が小さいスピネル型フェライトに、予めスピネル化させたコバルトフェライト（ＣｏＦｅ _２Ｏ _４）を、０．１〜１．６wt％添加して、当該コバルトの磁気異方性を利用することにより、高振幅電流時に発生する磁気損失も抑制することが可能になる。この結果、微少電流のみならず、高い振幅電流においても磁気損失を効果的に抑制することができ、よって非接触充電システム用の磁気シートとして好適に用いることができる。

特に、予めスピネル化させたコバルトフェライト（ＣｏＦｅ2Ｏ4）を用いているために、分散性を向上させて、フェライト焼結後におけるコバルトの偏析および凝縮を防ぐことができ、よって同等のコバルト量に対する特性を一段と向上させることができる。

（ａ）はＣｏ₃Ｏ₄を添加したフェライトプレートの初期透磁率の周波数特性、（ｂ）はコバルト酸化物を添加しないフェライトプレートの初期透磁率の周波数特性を示すグラフである。Ｃｏ₃Ｏ₄またはＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加したフェライトプレートの初期透磁率の周波数特性を示すグラフである。非接触充電用フェライトプレートにおいてＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加した場合と無添加の場合との初期透磁率の周波数特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの１２０ＫＨｚでの５Ａ／ｍにおける磁束密度特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの１２０ＫＨｚでの１０Ａ／ｍにおける磁束密度特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの１２０ＫＨｚでの１５Ａ／ｍにおける磁束密度特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの１２０ＫＨｚでの２０Ａ／ｍにおける磁束密度特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの各磁界におけるＱ特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの各磁界におけるＬ特性を示すグラフである。図３に示したフェライトプレートの各磁界におけるＲ特性を示すグラフである。図９〜図１１に示したフェライトプレートのＬ、Ｒ、Ｑの数値を示す図表である。ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加したＲＦＩＤ用フェライトプレートの初期透磁率の周波数特性を示すグラフである。図１２に示したフェライトプレートの１３．５６Ｈｚにおける初期透磁率の温度特性を示すグラフである。コイルの近傍に導電体が配置されている場合に渦電流により生じる磁界減衰を示す模式図である。図１４のコイルと導体との間に磁性シートを配置した場合の磁束の大きさを示す模式図である。

（第１の実施形態）
先ず、スピネル型フェライト（Ａ・Ｆｅ₂Ｏ₄（Ａは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ等））の粉末とコバルト酸化物（Ｃｏ₃Ｏ₄、ＣｏＯまたはＣｏ₂Ｏ₃）の粉末、および有機バインダとを混練してフェライトペーストとし、これをドクターブレード法、押出成形機等のシート成形機によって所定の厚さのグリーンシートに成形し、次いで当該グリーンシートを焼結することにより、本実施形態に係るフェライトプレートが得られる。

この際に、上記コバルト酸化物として、Ｃｏ₃Ｏ₄を用いた場合の添加量は、０．１０〜２．５０wt％の範囲である。また、ＣｏＯを用いた場合の添加量は、Ｃｏ₃Ｏ₄を用いた場合とコバルト成分が同等量となるように、０．１０〜２．３３wt％であり、Ｃｏ₂Ｏ₃を用いた場合の添加量は、同様にして０．１０〜２．５８wt％である。

（第２の実施形態）
本実施形態のフェライトプレートは、上記スピネル型フェライトの粉末に、予めスピネル化させたコバルトフェライト（ＣｏＦｅ₂Ｏ₄）を０．１〜７．０wt％添加することによって得られたものである。

以上の構成からなる第１および第２の実施形態に示したフェライトプレートによれば、透磁率が高く、かつ高周波数量域における渦電流損失が小さいスピネル型フェライトに、コバルト酸化物を所定範囲の量だけ添加して、当該コバルトの磁気異方性を利用することにより、高振幅電流時に発生する磁気損失も抑制することが可能になる。この結果、微少電流のみならず、高い振幅電流においても磁気損失を効果的に抑制することができ、よって非接触充電システム用およびRFID用の磁気シーとして好適に用いることができる。

特に、第２の実施形態に示したフェライトプレートによれば、スピネル型フェライトに、予めスピネル化させたコバルトフェライトを０．１〜７．０wt％添加しているために、上記コバルト成分の分散性を向上させて、フェライト焼結後におけるコバルトの偏析および凝縮を防ぐことができ、よって第１の実施形態に示したものと同等のコバルト量に対しても、その特性を一段と向上させることができる。

以下、図１〜図１３に基づいて、本発明の効果を実証するために行った実験結果について詳述する。
スピネル型フェライトに酸化コバルトＣｏ₃Ｏ₄を、各々０．５wt％、１．１wt％、１．７wt％、２．１wt％、２．７wt％添加して焼成したフェライトプレートについて、磁気特性の測定を行った。また、比較例として、Ｃｏ₃Ｏ₄を添加しないスピネル型フェライトの磁気特性も測定した。

図１（ａ）は、Ｃｏ₃Ｏ₄を添加したフェライトプレートの初期透磁率の周波数特性を示すもので、図１（ｂ）は、添加しないフェライトプレートの初期透磁率の周波数特性を示すものである。図１（ａ）、（ｂ）の対比から、酸化コバルトＣｏ₃Ｏ₄を添加することで、μ″のピークが高周波側にシフトしており、高周波特性が向上していることが判る。

一般に、RFID用のフェライトプレートにあっては、13.56MHzの周波数を使用していることから、当該周波数においてμ″が小さいことが重要である。そして、図１（ａ）に見られるように、Ｃｏ₃Ｏ₄を２．１wt％添加した場合、μ″がほぼ無くなっており、RFID用として好適に使用することができる。しかしながら、Ｃｏ₃Ｏ₄を２．７wt％添加した場合には、μ´が低下することにより、フェライト焼結体の特徴である高透磁率を満足することができなくなるため、Ｃｏ₃Ｏ₄の添加量としては、２．５wt％以下とすることが好ましい。

次に、コバルト酸化物として、Ｃｏ₃Ｏ₄を添加した場合と、予めスピネル化したＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加した場合とにおける周波数特性を比較するために、図２に示すように、１．７１wt％および２．４０wt％のＣｏ₃Ｏ₄を添加したフェライトプレートと、５．０wt％および７．０wt％のＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加したフェライトプレートを作成し、各々の初期透磁率の周波数特性を測定した。

ここで、Ｃｏ₃Ｏ₄を１．７１wt％添加した場合、コバルト成分が同量になるＣｏＦｅ₂Ｏ₄の添加量は５wt％であり、Ｃｏ₃Ｏ₄を２．４０wt％添加した場合、コバルト成分が同量になるＣｏＦｅ₂Ｏ₄の添加量は７．０wt％である。
図２に見られるように、それぞれコバルト成分が同量である場合には、１０ＭＨｚ以下ではほぼ同じ特性を示している。

しかしながら、１０ＭＨｚ以上では、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加したもののほうがμ´の共振ピークや、μ″の立ち上がりが高周波側にシフトしており、より高周波で使用することが可能であることが判る。これらはＣｏ₃Ｏ₄を使用した場合、コバルトの偏析及び凝集が発生するのに対し、予めスピネル化させたＣｏＦｅ₂Ｏ₄を使用することで、偏析や凝集の発生が抑えられているためである。このように、Ｃｏ₃Ｏ₄から、コバルトフェライトＣｏＦｅ₂Ｏ₄に変えることにより、分散性を向上させて、同等のコバルト量でも一段と特性を向上させることができる。

次いで、図３は、予めスピネル化させたＣｏＦｅ₂Ｏ₄を、各々０．４wt％、０．８wt％、１．６wt％添加した非接触充電用フェライトプレートと、無添加の非接触充電用フェライトプレートにおける初透磁率の周波数特性を示すものである。ここで、上記周波数特性の測定にあたっては、上記非接触充電システムが１２０ＫＨｚによって駆動することを想定し、数１００ＫＨｚにおいてμ″が小さくなるよう調整を行った。

図３に示すように、１２０ＫＨｚにおいて比較すると、初透磁率の周波数特性は、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加しない場合が最もμ´が高く、かつμ″も低くなっており、一見したところＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加したものより特性が良いように見える。しかしながら、初透磁率は、微少な振幅電流であり、実際に非接触充電システムを駆動する場合は、高い振幅電流が入力される。したがって、非接触充電用フェライトプレートでは、初透磁率のような微少な振幅電流領域ではなく、高振幅電流領域における磁気特性が重要となる。

そこで次に、図３の測定に用いた４種類の非接触充電用フェライトプレートについて、５Ａ／ｍ、１０Ａ／ｍ、１５Ａ／ｍおよび２０Ａ／ｍの各磁界における１２０ＫＨｚでの磁束密度（B-H）特性を測定した。図４〜図７は、その結果を示すものである。
図４〜図７に示すように、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加しないフェライトプレートは、初透磁率領域以上の振幅電流が入力された場合、大きな磁気損失（ヒステリシス損）が発生していることが分かる。

このように、コバルトはこの磁気損失を抑えるのに有効であり、特にスピネル化したＣｏＦｅ₂Ｏ₄として添加することが最も効果的である。ちなみに、図７に見られるように、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を１．６wt％添加した場合では、２０Ａ／ｍの磁界が加わった場合でもほとんど磁気損失が発生しておらず高い振幅電流でも使用することが可能である。

次に、コイル内径Ｘ：２９mm、コイル内径Ｙ：１９mm、コイル幅５．５mm、コイル高さ１．４mm、１５ターンの空芯コイルを作製し、各々図３〜図７の測定に用いた４種類の非接触充電用フェライトプレート上に上記空芯コイルを配置して、Ｌ、Ｒ、Ｑを測定した。図１１に示す表１〜表４は、各々のフェライトプレートの各磁界におけるＬ、Ｒ、Ｑ特性を示すものであり、図８〜図１０は、各々Ｑ特性、Ｌ特性、Ｒ特性についてグラフ化したものである。

なお、発生磁界はＡＴ／ｍ（電流値×ターン数／磁路長）で表される。これらは、同一電流値でもターン数、磁路長が変われば発生磁界が変化する。そのため、本実施例においては、電流値ではなく各磁界の特性とした。

図８に示すように、各磁界におけるＱ値は、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄の添加量が多くなるにしたがって、変動が少なくなっている。ここで、Ｑ値は、ωＬ／Ｒで表される。このＱ値の変動は、図９および図１０に示すように、Ｌの変動がほとんど無いのに対して、Ｒが磁界より大幅に増加しているためである。このＲの増加は、フェライト材料のμ″によるものであり、非接触充電で使用する周波数と電流（磁界）に応じて、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を添加することで損失の無い非接触充電用磁性シートを提供することができる。

次いで、RFID用フェライトプレートについて、初透磁率の周波数特性を測定した。なお、RFIDは１３．５６ＭＨｚで駆動するために、この周波数以上においてμ″が小さくなるよう調整を行った。添加するコバルト酸化物としては、分散性に優れるＣｏＦｅ₂Ｏ₄を用い、添加量５．０wt％、６．０wt％、７．０wt％、８．０wt％の４種類について行った。

ちなみに、RFID用のフェライトプレートの場合は、上述した非接触充電用のものと異なり信号の伝送であるために、通信時にコイルに流れる電流は微少である。このため、非接触充電のような高い振幅電流における磁気特性を考慮する必要は無く、初透磁率にて材料特性を判断することができる。

図１２は、この結果を示すものである。同図から明らかなように、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄添加量が５．０〜８．０wt％では、１３．５６ＭＨｚにおいてμ″が発生しておらず、RFID用途で使用することが可能である。

また、図１３は、上記４種類のRFID用フェライトプレートの１３．５６ＭＨｚにおける初透磁率の温度特性を示すものである。同図に見られるように、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄添加量が７．０wt％の場合は、８０℃でもほとんどμ″が発生しておらず、RFID用として使用することが可能であるが。ＣｏＦｅ₂Ｏ₄の添加量が７．０wt％を超えると、高温でのμ″の増加を防ぐことができるものの、μ´の低下も大きく、フェライト焼結体の特徴である高透磁率を満足できなくなる。

このため、コバルトフェライトＣｏＦｅ₂Ｏ₄添加量は、７．０wt％以下とすることが好ましい。他方、上記ＣｏＦｅ₂Ｏ₄の添加量が０．１wt％に満たないと、磁気損失を低下させる効果が少ない。
以上のことから、コバルトフェライトＣｏＦｅ₂Ｏ₄添加量としては、０．１wt％〜７．０wt％の範囲が好適である。

１コイル
２導電体
３磁性シート

Claims

非接触充電システムにおける磁気損失低減用の磁気シートとして用いられるフェライトプレートであって、
スピネル型フェライトに、予めスピネル化させたコバルトフェライト（ＣｏＦｅ _２Ｏ _４）を、０．１〜１．６wt％添加してなることを特徴とするフェライトプレート。