KR101052961B1 - 수전 장치와 그것을 이용한 전자 기기 및 비접촉 충전 장치 - Google Patents

수전 장치와 그것을 이용한 전자 기기 및 비접촉 충전 장치 Download PDF

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도시바 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

전자 기기(1)는 수전 장치(2)와 전자 기기 본체(3)를 구비한다. 수신 장치(2)는 스파이럴 코일을 갖는 수신 코일(11)과 정류기(12)와 2차 전지(13)를 구비한다. 전자 기기 본체(3)는 전자 디바이스(14)와 회로 기판(15)을 구비한다. 스파이럴 코일(11)과 이차 전지(13), 정류기(12), 전자 디바이스(14), 회로 기판(15) 사이의 적어도 1개소에는 자성 박체(16)가 배치되어 있다. 자성 박체(16)는 비투자율의 실성분 μr'와 판 두께의 곱으로 표현되는 μr'·t값이 30000 이상이다.
자성 박체, 비투자율, 판 두께, 자성 합금 박대, 스파이럴 코일, 이차 전지, 수전 코일, 수전 속도

Description

수전 장치와 그것을 이용한 전자 기기 및 비접촉 충전 장치{POWER RECEIVING DEVICE, ELECTRONIC APPARATUS USING SAME AND NON-CONTACT CHARGER}
본 발명은 비접촉 충전에 적용되는 수전 장치와 그것을 이용한 전자 기기 및 비접촉 충전 장치에 관한 것이다.
최근, 휴대형 통신 기기의 발전은 눈부시며, 특히 휴대 전화기의 소형 경박화는 급속하게 진행되고 있다. 휴대 전화기 이외에도, 핸디 카메라(휴대형 비디오 카메라 등), 코드리스 전화기, 랩탑 PC(노트형 PC) 등의 전자 기기도 소형 경박화가 진행되고 있다. 이들은 전자 기기 본체에 이차 전지를 탑재함으로써, 콘센트에 연결하지 않고 사용 가능하게 되어 있어, 휴대성이나 편리성을 높이고 있다. 단, 이차 전지에는 용량에 한계가 있어, 수일∼수주간에 1회는 충전을 행해야만 한다.
충전 방법에는 접촉 충전 방식과 비접촉 충전 방식이 있다. 접촉 충전 방식은, 수전 장치의 전극과 급전 장치의 전극을 직접 접촉시켜 충전을 행하는 방식이다. 접촉 충전 방식은 그 장치 구조가 단순하기 때문에 일반적으로 이용되고 있다. 그러나, 최근의 전자 기기의 소형 경박화에 수반하여 전자 기기의 무게가 가벼워져, 수전 장치의 전극과 급전 장치의 전극의 접촉압이 부족하여, 충전 불량을 일으키는 등의 문제가 발생하고 있다. 이차 전지는 열에 약하기 때문에, 전지의 온도 상승을 방지하기 위해서 과방전이나 과충전을 일으키지 않도록 회로를 설계 할 필요가 있다.
이와 같은 점으로부터 비접촉 충전 방식의 적용이 검토되고 있다. 종래의 비접촉 충전 방식에서는 이차 전지로서 니켈-수소 전지가 주로 이용되고 있으며, 이 때문에 충전 시간이 8시간 정도 걸리는 것이 많다고 하는 난점을 갖고 있었다. 이와 같은 점에 대하여, Li 이온 이차 전지 등의 고용량 이차 전지의 출현에 의해, 휴대 전화기나 노트형 PC 등의 비교적 대소비 전력으로 고속 충전을 필요로 하는 전자 기기에서도 비접촉 충전 방식의 적용이 검토되고 있다.
비접촉 충전 방식은 수전 장치와 급전 장치의 양방에 코일을 설치하고, 전자 유도를 이용하여 충전하는 방식이다. 비접촉 충전 방식은 전극끼리의 접촉압을 고려할 필요가 없기 때문에, 전극끼리의 접촉 상태에 좌우되지 않고 안정적으로 충전 전압을 공급할 수 있다. 비접촉 충전 장치의 코일로서는, 페라이트 코일의 둘레에 코일을 권회하는 구조가 알려져 있다(특허 문헌 1, 2 참조). 페라이트 분말이나 아몰퍼스 분말을 혼합한 수지 기판에 코일을 실장한 구조도 알려져 있다(특허 문헌 3 참조). 그러나，페라이트는 얇게 가공하면 부서지기 쉽기 때문에, 내충격성이 약하여, 기기의 낙하 등에 의해 수전 장치에 문제점이 생기기 쉽다.
기기의 박형화에 대응하여 수전 부분을 박형화하기 때문에, 기판에 금속 분말 페이스트를 스파이럴 형상으로 인쇄하여 형성된 평면 코일이 채용되어 있다. 또한, 송전측의 평면 코일(1차 코일)과 수전측의 평면 코일(2차 코일) 사이의 결합을 자성체로 강화하는 구조가 제안되어 있다(특허 문헌 4∼6 참조). 자성체(자성 시트)는 1차 코일과 2차 코일 사이의 결합을 강화하는 코어재로서 사용되고 있다. 그러나, 송전 속도가 커지면 코일간의 결합뿐만 아니라, 주변의 부품의 발열을 고려할 필요가 생긴다.
즉, 평면 코일을 사용한 경우, 평면 코일을 통과하는 자속이 기기 내부의 기판 등과 쇄교하기 때문에, 전자 유도에 의해 발생하는 와전류에 의해 장치 내가 발열한다. 이 때문에, 큰 전력을 송신할 수 없어, 충전 시간이 길어진다고 하는 문제가 있다. 예를 들면, 발열을 무시하고 송전 속도를 올리면, Li 이온 이차 전지의 내부에서 탄산 가스가 발생하여, 팽폭(膨爆) 등이 발생하는 것이 염려된다. 이 때문에, 비접촉 충전 장치에 의한 휴대 전화의 충전에는 접촉 충전 장치에 의한 충전 시간에 대하여 130% 정도 걸리게 된다.
휴대 전화기, 디지털 카메라, 휴대 게임기, 포터블 AV 기기 등에 이용되는 Li 이온 이차 전지는, 단위 시간당의 충전 용량이 종래의 니켈-수소 전지에 비해 5배 이상으로 되어 있다. 이 때문에, 비접촉 충전 방식으로 송전 속도를 올리자고 하였을 때에, 와전류에 의한 발열의 문제를 무시할 수 없다. 이와 같이, 종래의 비접촉 충전 방식을 적용한 수전 장치는 전자 유도에 의해 발생하는 와전류, 그것에 기초하는 발열에의 대책이 불충분한다. 와전류의 발생은 노이즈의 발생으로 이어져, 더욱 충전 효율을 저하시키는 요인으로 된다.
특허 문헌 1 : 일본 특개평 11-265814호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특개 2000-023393 공보
특허 문헌 3 : 일본 특개평 09-190938호 공보
특허 문헌 4 : 일본 실개소 58-080753호 공보
특허 문헌 5 : 일본 특개평 04-122007호 공보
특허 문헌 6 : 일본 특개평 08-148360호 공보
<발명의 개시>
본 발명의 목적은, 전자 유도에 의해 수전측에 발생하는 와전류를 억제함으로써, 와전류에 기인하는 발열이나 수전 효율의 저하를 억제하는 것을 가능하게 한 수전 장치와 그것을 이용한 전자 기기 및 비접촉 충전 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 양태에 따른 수전 장치는, 스파이럴 코일을 갖는 수전 코일과, 상기 수전 코일에 발생한 교류 전압을 정류하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 직류 전압이 충전되는 이차 전지와, 상기 스파이럴 코일과 상기 이차 전지 사이, 및 상기 스파이럴 코일과 상기 정류기 사이 중 적어도 1개소에 배치된 자성 박체를 구비하고, 상기 자성 박체의 비투자율의 실성분을 μr', 상기 자성 박체의 판 두께를 t[㎛]로 하였을 때, 상기 자성 박체는 상기 비투자율의 실성분 μr'와 상기 판 두께 t의 곱으로 표현되는 값(μr'·t)이 30000 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양태에 따른 전자 기기는, 스파이럴 코일을 갖는 수전 코일과, 상기 수전 코일에 발생한 교류 전압을 정류하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 직류 전압이 충전되는 이차 전지를 구비하는 수전 장치와, 상기 이차 전지로부터 상기 직류 전압이 공급되어 동작하는 전자 디바이스와, 상기 전자 디바이스가 실장된 회로 기판을 구비하는 전자 기기 본체와, 상기 스파이럴 코일과 상기 이차 전지 사이, 상기 스파이럴 코일과 상기 정류기 사이, 상기 스파이럴 코일과 상기 전자 디바이스 사이, 및 상기 스파이럴 코일과 상기 회로 기판 사이 중 적어도 1개소에배치된 자성 박체를 구비하고, 상기 자성 박체의 비투자율의 실성분을 μr', 상기 자성 박체의 판 두께를 t[㎛]로 하였을 때, 상기 자성 박체는 상기 비투자율의 실성분 μr'와 상기 판 두께 t의 곱으로 표현되는 값(μr'·t)이 30000 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양태에 따른 비접촉 충전 장치는, 본 발명의 양태에 따른 전자 기기와, 상기 전자 기기의 상기 수전 코일과 비접촉으로 배치되는 급전 코일과, 상기 급전 코일에 교류 전압을 인가하는 전원을 구비하는 급전 장치를 구비하고, 상기 급전 코일에 발생시킨 자속을 상기 수전 코일에 전달하여 전력을 비접촉으로 전송하는 것을 특징으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 전자 기기의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시하는 전자 기기의 변형예의 구성을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전자 기기의 구성을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체의 외주부에 비어져 나옴부를 형성한 예를 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체의 외주부에 비어져 나옴부를 형성한 다른 예를 도시하는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체의 외주부에 비어져 나옴부를 형성한 또 다른 예를 도시하는 단면도.
도 7은 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체의 중앙부에 개방부를 형성한 예를 도시하는 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체의 중앙부에 개방부를 형성한 다른 예를 도시하는 단면도.
도 9는 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체의 중앙부에 개방부를 형성한 또 다른 예를 도시하는 단면도.
도 10은 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체에 슬릿을 형성한 예를 도시하는 평면도.
도 11은 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체에 슬릿을 형성한 다른 예를 도시하는 평면도.
도 12는 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체에 슬릿을 형성한 또 다른 예를 도시하는 평면도.
도 13은 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체에 슬릿을 형성한 또 다른 예를 도시하는 평면도.
도 14는 본 발명의 실시 형태에서의 자성 박체에 슬릿을 형성한 또 다른 예를 도시하는 평면도.
도 15는 본 발명의 실시 형태의 전자 기기에 복수의 자성 박체를 배치한 예를 도시하는 단면도.
도 16은 본 발명의 실시 형태에 따른 비접촉 충전 장치의 구성을 도시하는 도면.
도 17은 도 16에 도시하는 비접촉 충전 장치의 회로도.
<부호의 설명>
1 : 전자 기기 2 : 수전 장치
3 : 전자 기기 본체 4 : 케이스
11 : 스파이럴 코일(수전 코일) 12 : 정류기
13 : 이차 전지 14 : 전자 디바이스
15 : 회로 기판 16 : 자성 박체
16a : 절곡부 16b : 개방부
17 : 슬릿 20 : 비접촉 충전 장치
30 : 급전 장치 31 : 급전 코일
32 : 자심 33 : 전원
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 전자 기기의 구성을 도시하고 있다. 도 1 및 도 2에 도시하는 전자 기기(1)는 비접촉 충전 방식을 적용한 수전 장치(2)와 전자 기기 본체(3)를 구비하고 있다. 수전 장치(2)나 전자 기기 본체(3)는 케이스(4) 내에 배치되어 있으며, 이들에 의해 전자 기기(1)가 구성되어 있다.
수전 장치(2)는, 스파이럴 코일을 갖는 수전 코일(11)과, 수전 코일(11)에 발생한 교류 전압을 정류하는 정류기(12)와, 정류기(12)에서 정류된 직류 전압이 충전되는 이차 전지(13)를 구비하고 있다. 전자 기기 본체(3)는, 수전 장치(2)의 이차 전지(13)에 충전된 직류 전압이 공급되어 동작하는 전자 디바이스(14)와, 전자 디바이스(14)가 실장된 회로 기판(15)을 구비하고 있다. 전자 기기 본체(3)는 전자 디바이스(14)나 회로 기판(15) 이외에 전자 기기(1)의 기능이나 동작 등에 따른 부품이나 장치를 구비하고 있어도 된다.
수전 코일(11)을 구성하는 스파이럴 코일로서는, 구리선 등의 금속 와이어를 평면 상태에서 권회하는 평면 코일, 금속 분말 페이스트를 스파이럴 형상으로 인쇄하여 형성한 평면 코일 등이 이용된다. 스파이럴 코일의 권회 형상은, 원형, 타원, 사각형, 다각형 등, 특별히 한정되는 것은 아니다. 스파이럴 코일의 권회수도 요구 특성에 따라서 적절하게 설정된다.
정류기(12)로서는, 트랜지스터나 다이오드 등의 반도체 소자를 들 수 있다. 정류기(12)의 개수는 임의이며, 필요에 따라서 1개 또는 2개 이상의 정류기(12)가 이용된다. 정류기(12)는 TFT 등의 성막 기술로 형성한 것이어도 된다. 도 1 및 도 2에서, 정류기(12)는 회로 기판(15)의 수전 코일(11)측에 설치된다. 정류기(12)는 회로 기판(15)의 수전 코일(11)과는 반대측의 면에 설치하여도 된다. 이차 전지(13)는 충방전이 가능한 것이며, 평판형이나 버튼형 등의 다양한 형상의 것을 사용할 수 있다.
전자 디바이스(14)에는, 저항 소자, 용량 소자, 인덕턴스 소자, 제어 소자, 기억 소자 등, 회로를 구성하는 각종 소자나 부품이 포함된다. 또한, 이들 이외의 부품이나 장치이어도 된다. 회로 기판(15)은 수지 기판이나 세라믹스 기판 등의 절연 기판의 표면이나 내부에 회로를 형성한 것이다. 전자 디바이스(14)는 회로 기판(15)에 실장되어 있다. 전자 디바이스(14)는 회로 기판(15)에 실장되어 있지 않은 것을 포함하고 있어도 된다.
제1 실시 형태의 전자 기기(1)는, 예를 들면 도 1에 도시하는 바와 같이, 스파이럴 코일(수전 코일)(11)과 이차 전지(13) 사이에 설치된 자성 박체(16)를 구비 하고 있다. 즉, 스파이럴 코일(11)과 이차 전지(13)는 자성 박체(16)를 사이에 두고 배치되어 있다. 스파이럴 코일(11)은 그 적어도 일부로서 평면부를 갖고，이 평면부는 자성 박체(16)의 표면을 따라서 배치되어 있다. 수전 장치(2)로서 본 경우, 그것을 구성하는 스파이럴 코일(11)과 이차 전지(13) 사이에 자성 박체(16)가 배치되는 것으로 된다.
자성 박체(16)는 도 2에 도시한 바와 같이, 이차 전지(13)와 회로 기판(15) 사이에 설치하여도 된다. 이 경우, 자성 박체(16)는 스파이럴 코일(11)과 회로 기판(15) 사이에 배치되어 있는 것으로 된다. 또한, 자성 박체(16)는 스파이럴 코일(11)과 정류기(12) 사이나 스파이럴 코일(11)과 전자 디바이스(14) 사이에 배치하여도 된다. 자성 박체(16)는 이들 각 개소 중 1개소 이상에 배치된다. 자성 박체(16)는 2개소 혹은 그 이상의 개소에 배치되어 있어도 된다.
도 3은 제2 실시 형태에 따른 전자 기기를 도시하고 있다. 도 3에 도시하는 전자 기기(1)에서, 스파이럴 코일(11)은 이차 전지(13)의 주위에 설치되어 있다. 다시 말하면, 이차 전지(13)는 스파이럴 코일(11)의 중앙 부근에 형성된 공동부 내에 설치되어 있다. 자성 박체(16)는 스파이럴 코일(11)과 회로 기판(15) 사이 외에, 스파이럴 코일(11)과 이차 전지(13) 사이에도 존재하도록, 중앙 부근을 돌출시 킨 형상을 갖고 있다. 또한, 도 3에서는 정류기(12)나 전자 디바이스(13)의 도시를 생략하고 있다.
제2 실시 형태의 전자 기기(1)에서도, 자성 박체(16)는 스파이럴 코일(11)과 회로 기판(15) 사이, 스파이럴 코일(11)과 정류기(12) 사이, 스파이럴 코일(11)과 전자 디바이스(14) 사이에 배치하여도 된다. 자성 박체(16)는 이들 각 개소 중 1개소 이상에 배치된다. 자성 박체(16)는 2개소 혹은 그 이상의 개소에 배치되어 있어도 된다.
전자 기기(1)의 가로 폭을 작게 하기 위해서는 제1 실시 형태의 구조가 바람직하다. 전자 기기(1)의 두께를 얇게 하기 위해서는 제2 실시 형태의 구조가 바람직하다. 이들 형태는 적용하는 전자 기기(1)의 구조 등과 아울러 적절하게 선택된다. 전자 기기(1)의 구성은 도 1 내지 도 3에 한정되는 것은 아니다. 스파이럴 코일(11)과 이차 전지(13)와 회로 기판(15)의 배치는 다양하게 변경이 가능하다. 예를 들면, 상측으로부터 이차 전지, 회로 기판, 스파이럴 코일을 순서대로 배치하여도 된다. 자성 박체는 예를 들면 회로 기판과 스파이럴 코일 사이에 배치된다.
스파이럴 코일(11)과 회로 기판(15) 사이에 자성 박체(16)를 배치하는 경우, 단순히 스파이럴 코일(11)/자성 박체(16)/회로 기판(15)을 적층하는 것만이어도 되고, 이들 사이를 접착제나 납재로 고정하여도 된다. 다른 경우도 마찬가지이며, 각 구성 요소를 적층하는 것만이어도 되고, 그들 사이를 접착제나 납재로 고정하여도 된다.
전술한 바와 같이, 스파이럴 코일(11)과 이차 전지(13) 사이, 스파이럴 코 일(11)과 정류기(12) 사이, 스파이럴 코일(11)과 전자 디바이스(14) 사이, 스파이럴 코일(11)과 회로 기판(15) 사이 중 적어도 1개소에 자성 박체(16)를 배치함으로써, 충전 시에 스파이럴 코일(11)을 통과하는 자속을 자성 박체(16)로 실드할 수 있다. 이에 의해, 전자 기기(1) 내부의 회로 기판(15) 등과 쇄교하는 자속이 감소하기 때문에, 전자 유도에 의한 와전류의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다.
따라서, 회로 기판(15)에 실장된 전자 디바이스(14)나 정류기(12)의 와전류에 의한 발열, 회로 기판(15)의 회로의 발열, 또한 와전류에 기인하는 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 전자 기기(1) 내부에서의 발열의 억제는, 이차 전지(13)의 성능이나 신뢰성의 향상에 기여한다. 또한，와전류에 의한 발열을 억제함으로써, 수전 장치(2)에 공급하는 전력을 증대시킬 수 있다. 자성 박체(16)는 스파이럴 코일(11)에 대한 자심으로서도 기능하기 때문에, 수전 효율 나아가서는 충전 효율을 높이는 것이 가능하게 된다. 이들은 전자 기기(1)에 대한 충전 시간의 단축에 기여한다.
자성 박체(16)로서는, 자성 합금 박대(자성 합금 리본)나 자성 합금 박판 등이 이용된다. 자성 박체(16)에는 각종 연자성 재료를 적용할 수 있다. 자성 박체(16)의 구체적인 구성으로서는 이하에 설명하는 바와 같은 것을 들 수 있다. 자성 합금 박대는, Co기 아몰퍼스 합금, Fe기 아몰퍼스 합금, 또는 Fe기 미결정 합금으로 구성하는 것이 바람직하다. 이들 자성 재료는 모두 롤 급냉법(단롤 또는 쌍롤)으로 제작할 수 있기 때문에, 평균 판 두께가 50㎛ 이하인 박대를 용이하게 얻을 수 있다.
자성 합금 박대를 구성하는 아몰퍼스 합금은,
(T1-aMa)100-bXb
(식 중, T는 Co 및 Fe로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, M은 Ni, Mn, Cr, Ti, Zr, Hf, Mo, V, Nb, W, Ta, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Re 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, X는 B, Si, C 및 P로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a 및 b는 0≤a≤0.3, 10≤b≤35at%를 만족시키는 수임)로 표현되는 조성을 갖는 것이 바람직하다. 수학식 1에서, 원소 T가 Co와 Fe의 양방을 함유하고 있는 경우, Co가 많으면 Co기 아몰퍼스 합금, Fe가 많으면 Fe기 아몰퍼스 합금이라고 호칭한다.
수학식 1에서, 원소 T는 자속 밀도, 자왜값, 철손 등이 요구되는 자기특성에 따라서 조성 비율을 조정하는 것으로 한다. 원소 M은 열 안정성, 내식성, 결정화 온도의 제어 등을 위해서 첨가되는 원소이다. 원소 M의 첨가량은 a의 값으로서 0.3 이하로 하는 것이 바람직하다. 원소 M의 첨가량이 너무 많으면 상대적으로 원소 T의 양이 감소하기 때문에, 아몰퍼스 자성 합금 박대의 자기 특성이 저하된다. 원소 M의 첨가량을 나타내는 a의 값은 실용적으로는 0.01 이상으로 하는 것이 바람직하다. a의 값은 0.15 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
원소 X는 아몰퍼스 합금을 얻기 위해서 필수적인 원소이다. 특히, B(붕소)는 자성 합금의 아몰퍼스화에 유효한 원소이다. Si(규소)는 아몰퍼스상의 형성을 조성하거나, 또한 결정화 온도의 상승에 유효한 원소이다. 원소 X의 함유량이 너무 많으면 투자율의 저하나 약화가 생기고, 반대로 너무 적으면 아몰퍼스화가 곤란하게 된다. 이와 같은 것으로부터, 원소 X의 함유량은 10∼35at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 원소 X의 함유량은 15∼25at%의 범위로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Fe기 미결정 합금 박대로서는,
Fe100-c-d-e-f-g-hAcDdEeSifBgZh
(식 중, A는 Cu 및 Au로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, D는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ni, Co 및 희토류 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, E는 Mn, Al, Ga, Ge, In, Sn 및 백금족 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, Z는 C, N 및 P로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, c , d, e, f, g 및 h는 0.01≤c≤8at%, 0.01≤d≤10at%, 0≤e≤10at%, 10≤f≤25at%, 3≤g≤12at%, 15≤f+g+h≤35at%를 만족시키는 수임)로 실질적으로 표현되는 조성을 갖는 Fe기 합금으로 이루어지고, 또한 면적비로 금속 조직의 20% 이상이 입경 50㎚ 이하의 미결정립으로 이루어지는 것을 들 수 있다.
수학식 2에서, 원소 A는 내식성을 높여, 결정립의 조대화를 방지함과 함께, 철손이나 투자율 등의 자기 특성을 개선하는 원소이다. 원소 A의 함유량이 너무 적으면 결정립의 조대화 억제 효과를 충분히 얻을 수 없고, 반대로 너무 많으면 자 기 특성이 열화된다. 따라서, 원소 A의 함유량은 0.01∼8at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 원소 D는 결정입경의 균일화나 자왜의 저감 등에 유효한 원소이다. 원소 D의 함유량은 0.01∼10at%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
원소 E는 연자기 특성이나 내식성의 개선에 유효한 원소이다. 원소 E의 함유량은 10at% 이하로 하는 것이 바람직하다. Si 및 B는 박대 제조 시에서의 합금의 아몰퍼스화를 조성하는 원소이다. Si의 함유량은 10∼25at%의 범위, B의 함유량은 3∼12at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. Si 및 B 이외의 아몰퍼스화 조성 원소로서 원소 Z를 함유하고 있어도 된다. 그 경우, Si, B 및 원소 Z의 합계 함유량은 15∼35at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 미결정 구조는, 특히 입경이 5∼30㎚인 결정립을 합금 중에 면적비로 50∼90%의 범위에서 존재시킨 형태로 하는 것이 바람직하다.
아몰퍼스 합금 박대는, 예를 들면 롤 급냉법(용탕 급냉법)에 의해 제작된다. 구체적으로는, 소정의 조성비로 조정한 합금 소재를 용융 상태로부터 급냉함으로써 제작된다. 미결정 합금 박대는, 예를 들면 액체 급냉법에 의해 아몰퍼스 합금 박대를 제작한 후, 그 결정화 온도에 대하여 -50∼+120℃의 범위의 온도에서 1분∼5시간의 열처리를 행하여, 미결정립을 석출시킴으로써 얻을 수 있다. 액체 급냉법의 급냉 속도를 제어하여 미결정립을 직접 석출시키는 방법에 의해서도, 미결정 합금 박대를 얻을 수 있다.
아몰퍼스 합금이나 Fe기 미결정 합금으로 이루어지는 자성 합금 박대의 평균 두께는 5∼50㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다. 평균 판 두께가 50㎛ 이하인 자 성 합금 박대는, 후술하는 절곡부나 개방부의 형성 가공을 행하기 쉽다고 하는 이점을 갖는다. 자성 합금 박대의 평균 두께가 50㎛를 초과하면 투자율이 낮아지고, 또한 손실이 커지게 될 우려가 있다. 자성 합금 박대의 평균 두께를 5㎛ 미만으로 하여도, 그 이상의 효과가 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 반대로 제조 코스트의 증가를 초래하게 된다. 자성 합금 박대의 두께는 5∼35㎛의 범위로 하는 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10∼25㎛의 범위이다.
자성 박체(16)는 아몰퍼스 합금이나 Fe기 미결정 합금 대신에, 퍼멀로이나 규소 동판 등으로 형성하여도 된다. 이 경우에는, 용해 잉곳이나 소결 잉곳에 단조나 압연 등의 가공을 실시하여 박판화한다. 퍼멀로이나 규소 동판 등으로 이루어지는 자성 합금 박판의 판 두께는 10∼40㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다. 자성 합금 박판의 판 두께가 40㎛를 초과하면, 와전류에 의해 자성판 내부의 손실이 증대된다. 한편, 자성 합금 박판의 판 두께가 10㎛ 미만이면, 충분한 실드 효과가 얻어지지 않는다. 자성 합금 박판의 판 두께는 10∼25㎛의 범위로 하는 것이 보다 바람직하다.
전술한 자성 박체(16)는 비투자율의 실성분 μr'와 판 두께 t의 곱으로 표현되는 μr'·t값이 30000 이상이라고 하는 특성을 갖고 있다. μr'는 자성 박체(16)의 비투자율의 실성분，t는 자성 박체(16)의 판 두께[㎛]이다. 자성 박체(16)를 복수의 박체의 적층체로 구성하는 경우, 판 두께 t는 복수의 박체의 판 두께의 합계를 나타내는 것으로 한다. 일부분에만 박체의 적층체를 적용하는 경우에는, 가장 많이 적층한 부분의 두께(합계한 판 두께)를 판 두께 t로 한다. 복수 의 자성 박체를 절연층 등의 비자성체층을 개재하여 적층하는 경우, 비자성체층의 두께는 판 두께 t에 포함시키지 않는 것으로 한다.
μr'·t값이 30000 이상인 경우에는, 자성 박체(16)에 의해 급전 코일과 수전 코일의 전자 결합이 커지기 때문에, 효과적인 전송을 실현할 수 있다. 따라서, 송전량을 억제함으로써, 자성 박체(16)가 자기 포화되기 어려워진다. 또한, 자성 박체(16)의 포화, 비포화에 상관없이, 자성 박체(16)로부터의 자속 누설이 억제되기 때문에, 정류기(12), 전자 디바이스(14), 회로 기판(15) 등에 발생하는 와전류를 억제할 수 있다. 이에 의해, 전자 기기(1) 내부에서의 발열을 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한, 자성 박체(16)의 인덕턴스를 높임으로써, 수전 코일(11)에 의한 수전 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 와전류에 기인하는 발열이 억제된다.
예를 들면, Li 이온 이차 전지와 같이 충전 용량이 큰 이차 전지에 충전하는 경우에는, 송신하는 전력을 크게 할 필요가 있다. 이것은, 비접촉 충전 방식에서는 송신하는 자속량이 증대되는 것을 의미한다. 자성 박체(16)에서 급전 코일과 수전 코일의 전자 결합을 높임으로써, 증대된 자속을 급전 코일로 효율적으로 수취할 수 있다. 즉, 수전 코일(11)에 의한 전력의 수전 효율이 향상된다. 따라서, 이차 전지(13)의 용량을 채우기 위한 수전 속도를 저감할 수 있다. 이에 의해, 급전 코일(1차 코일)로부터 수전 코일(2차 코일)(11)에 보내는 자속량을 감소시킬 수 있기 때문에, 자속의 누설에 의한 와전류의 발생, 또한 와전류에 기인하는 발열을 억제하는 것이 가능하게 된다.
자성 박체(16)의 μr'·t가 30000 미만이면, 와전류의 억제 효과가 불충분하게 되기 때문에, 예를 들면 송전 전력이 1W·h 이상으로 되었을 때에, 이차 전지(13)가 필요 이상으로 발열한다. 이것은 수전 시에 생긴 와전류에 의해 자성 박체(16)의 자기 특성이 포화되어, 와전류를 그 이상 억제할 수 없게 되기 때문이다. μr'·t값이 30000 이상인 자성 박체(16)는, 이차 전지(13)에 충전 용량이 큰 Li 이온 이차 전지를 적용하는 경우에 바람직하다. 특히, μr'·t값이 30000 이상인 자성 박체(16)는, 수전 속도가 0.25W/h 이상인 경우에 유효하다. 자성 박체(16)의 μr'·t값이 40000 이상인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 90000 이상이다.
자성 박체(16)의 μr'·t값을 크게 하기 위해서는, 자성 박체(16)의 비투자율의 실성분 μr'를 크게 하거나, 혹은 판 두께 t를 두껍게 할 필요가 있다. 자성 박체(16)의 비투자율을 높이는 방법으로서는, 비투자율이 큰 재료 조성을 자성 박체(16)에 적용하거나, 자성 박체(16)에 열처리를 실시하는 것 등을 들 수 있다. 예를 들면, 아몰퍼스 자성 합금 박대로 이루어지는 자성 박체(16)이면, 200℃∼(결정화 온도 -20℃)의 온도에서 10∼120분의 열처리를 실시하는 것이 유효하다. 이들은 적절하게 조합하여 적용된다.
자성 박체(16)의 평균 판 두께가 너무 두꺼우면, 전술한 바와 같이 자성 박체(16)의 투자율이나 가공성이 저하된다. 이 때문에, 자성 박체(16)의 평균 판 두께는 전술한 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 그와 같은 조건을 만족시킨 후에, 판 두께 t를 크게 하기 위해서는, 자성 박체(16)에 자성 합금 박대나 자성 합금 박 판의 적층체를 적용하는 것이 바람직하다. 자성 합금 박대나 자성 합금 박판을 적층하여 이용함으로써, 각 박대나 박판의 두께의 증가를 억제하면서, 자성 박체(16)의 판 두께 t를 두껍게 할 수 있다. 이들에 의해, μr'·t값이 30000 이상인 자성 박체(16)을 얻을 수 있다.
자기 포화를 방지한다고 하는 관점에서는, 자성 박체(16)의 포화 자속 밀도 Ms는 0.50T 이상인 것이 바람직하다. 또한, 자성 박체(16)의 전기 저항값 R(Ω·m)은 R·μr'≥1.01×10-3을 만족시키는 것이 바람직하다. 자성 박체(16)의 판 두께를 표피 효과에 의한 스킨 뎁스의 두께보다 두껍게 설정하여도, 그 이상의 부분은 자성체로서의 효과를 거의 나타내지 않는다. 따라서, 자성 박체(16)의 판 두께는 스킨 뎁스의 두께 이하로 하는 것이 바람직하다. 상기한 R·μr'값은, 스킨 뎁스의 두께=δ, μr'·t=40000, μo=진공의 투자율=4π×10-7, 막 두께=t, ω=각 주파수로 하였을 때, (μo·μr'·δ)=(μo·μr')(2·R/(μo·μr'·ω)1/2≥(μo·μr'·t)=μo·40000으로부터 구한 것이다. 이것은, 투자율이 낮은 재료에서는 충분한 μo·μr'를 얻을 수 없어, 충분히 발열을 억제할 수 없는 것을 의미한다.
다음으로，와전류에 의한 문제점을 더욱 억제하는 방법 및 구조에 대해서 설명한다. 자성 박체(16)는 도 4에 도시한 바와 같이, 그 외주 단부를 스파이럴 코일(11)의 외주부보다 외측으로 연장시키는 것이 바람직하다. 도 4에서, do는 자성 박체(16)의 스파이럴 코일(11)의 외측으로 비어져 나온 부분(비어져 나옴부)이다. 이와 같은 구조로 함으로써, 스파이럴 코일(11)에 생긴 자속을 보다 효과적으로 자성 박체(16)에 의해 차단할 수 있다. 이것은 기판 등과 쇄교하는 자속에 기초하는 와전류의 억제, 또한 와전류에 의한 발열이나 수전 효율의 저하의 억제에 기여하는 것이다.
자성 박체(16)의 비어져 나온 부분 do는 도 5나 도 6에 도시한 바와 같이, 회로 기판(15)과는 반대측(스파이럴 코일(11)측)으로 절곡하여도 된다. 도 5 및 도 6에서, 자성 박체(16)는 그 외주 단부를 회로 기판(15)과는 반대측으로 절곡한 절곡부(16a)를 갖고 있다. 절곡부(16a)의 형상은, 도 5에 도시한 바와 같이 복수 회 절곡하여도 되고, 도 6에 도시하는 바와 같이 1회 절곡하는 것만이어도 된다. 자성 박체(16)의 외주부를 스파이럴 코일(11)측으로 절곡함으로써, 와전류의 억제 효과를 더욱 높일 수 있다.
또한, 자성 박체(16)는 스파이럴 코일(11)의 자심으로서도 기능한다. 이 경우, 자성 박체(16)의 외주 단부를 스파이럴 코일(11)측으로 절곡함으로써, 자심으로서의 자성 박체(16)와 급전 코일(1차 코일)의 갭을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 수전 효율을 높이는 것이 가능하게 된다. 이 때, 급전 코일에 근접시키는 자성 박체(16)의 면적이 클수록 효과가 있다. 이 때문에, 도 5에 도시한 바와 같이, 자성 박체(16)의 외주 단부를 급전 코일의 권회면 법선과 대략 평행한 방향으로 향하게 함으로써, 보다 효과적으로 자기 회로를 형성하여 수전 효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
자성 박체(16)의 중앙부에는, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 개방 부(16b)를 형성하여도 된다. 자성 박체(16)의 개방부(16b)는, 스파이럴 코일(11)의 중심부에 대응하는 위치에 형성된다. 개방부(16b)의 형상은, 도 7에 도시한 바와 같은 자성 박체(16)의 중앙부를 스파이럴 코일(11)의 방향으로 오목하게 한 형상(볼록 형상), 도 8에 도시한 바와 같은 자성 박체(16)의 중앙부에 구멍을 뚫은 형상, 도 9에 도시한 바와 같은 자성 박체(16)의 중앙부를 절곡한 형상 등을 들 수 있다. 개방부(16b)를 형성하여 급전 코일(1차 코일)과의 갭을 작게 함으로써, 보다 효과적으로 자기 회로를 형성하여 수전 효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
도 8에서, di는 자성 박체(16)의 스파이럴 코일(11)보다 내측에 존재시킨 부분을 나타내고 있다. 도 9에 도시하는 절곡 부분은, 자성 박체(16)의 스파이럴 코일(11)보다 내측에 존재시킨 부분 di를 스파이럴 코일(11)의 방향으로 절곡한 것이다. 자성 박체(16)의 외주부를 스파이럴 코일(11)의 외측으로 비어져 나오게 한 구조와 중앙부에 개방부를 형성한 구조는 각각 단독으로 이용하여도 되고, 또한 양방을 채용하여도 된다. 이들 구조를 양방 채용한 쪽이 수전 효율의 향상 효과가 보다 현저하게 된다. 또한, 도 4 내지 도 9에서는 정류기(12), 이차 전지(13), 전자 디바이스(13)의 도시를 생략하고 있다. 도 15도 마찬가지이다.
또한, 자성 박체(16) 내의 와전류를 억제하기 위해서, 자성 박체(16)에는 슬릿을 형성하는 것이 바람직하다. 자성 박체(16)는 슬릿에 의해 복수로 분할되고, 전기로(또는 전류 경로)를 분단하는 것이 보다 유효하다. 슬릿을 형성한 자성 박체(16)의 예를 도 10 내지 도 14에 도시한다. 이들 도면에서, 부호 17은 슬릿을 나타내고 있다. 슬릿(17)이 자성 박체(16)을 절단하고 있는 경우, 그것은 자성 박 체(16)의 분할선에 상당한다.
도 10은 자성 박체(16)의 종횡으로 직교하는 슬릿(17)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 도 10에 도시하는 자성 박체(16)는 4분할되어 있다. 도 11은 자성 박체(16)의 종횡에 각각 복수개의 슬릿(17)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 도 11에 도시한 바와 같이, 복수개의 슬릿(17)을 형성하는 경우, 슬릿(17)의 사이즈나 슬릿(17)끼리의 간격은 임의이다. 도 12는 자성 박체(16)의 대각선 방향으로 직교하는 슬릿(17)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 이와 같이, 슬릿(17)은 수평이나 수직에 한하지 않고, 각도를 주어 형성하여도 된다. 도시하지 않지만, 슬릿은 방사선 형상으로 형성하여도 된다.
도 13은 자성 박체(16)의 한쪽의 끝으로부터 도중까지 슬릿(17)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 슬릿(17)은 대향하는 변의 양방으로부터 반대측의 변을 향하여 각각 형성되어 있다. 도 14는 자성 박체(16)의 양 끝으로부터 도중까지의 슬릿(17)을 형성하고, 또한 중앙 부근에도 슬릿(17)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 전기로를 분단할 때, 스파이럴 코일(11)의 중앙부로 될수록 자속이 커지기 때문에, 분할 후의 자성 박체(16)의 면적이 중앙부로 될수록 작아지도록, 슬릿(17)을 형성하는 것이 효과적이다. 단, 슬릿수(분할수)을 많게 하면 자기 저항이 커지기 때문에 수전 효율은 저하된다. 이 때문에, 와전류의 억제 효과와 수전 효율의 양방을 고려하여 슬릿(17)을 형성하는 것이 바람직하다.
와전류의 억제 효과와 수전 효율의 양방을 향상시키기 위해서는, 복수매의 자성 박체를 이용하는 것이 유효하다. 복수매의 자성 박체를 이용한 예를 도 15에 도시하였다. 도 15에 도시한 전자 기기(1)에서는, 스파이럴 코일(11)과 회로 기판(15) 사이에 3매의 자성 박체(16A, 16B, 16C)를 배치하고 있다. 자성 박체(16A)는 도 10에 도시한 바와 같은 슬릿(17)을 갖고 있다. 자성 박체(16B)는 도 11에 도시한 슬릿(17)을 갖고 있다. 자성 박체(16C)는 슬릿을 갖고 있지 않고, 외주부를 절곡한 것이다.
이와 같이, 절곡부(16a)를 형성한 자성 박체(16C)와 슬릿(17)을 형성한 자성 박체(16A, 16B)의 양방을 이용함으로써, 와전류의 억제 효과와 수전 효율의 양방을 높일 수 있다. 슬릿(17)을 형성한 자성 박체(16)는 개방부(16b)를 형성한 자성 박체(16)와 조합하여도 되고, 절곡부(16a)와 개방부(16b)의 양방을 구비하는 자성 박체(16)와 슬릿(17)을 형성한 자성 박체(16)를 조합하여도 된다. 3매 이상(n매 이상)의 자성 박체(16)를 이용하는 경우, 그 중 2매((n-1)매)를 동일 형상(구조)의 자성 박체(16)로 하여도 되고, 3매(n매)의 자성 박체(16) 모두에 동일한 것을 이용하여도 된다.
전술한 실시 형태의 수전 장치(2)와 그것을 이용한 전자 기기(1)에서는, 스파이럴 코일(11)을 쇄교한 자속에 기인하는 와전류가 억제되기 때문에, 기기 내부의 발열을 저하시킬 수 있음과 함께, 수전 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 급전 시의 전력을 크게 할 수 있어, 충전 시간의 단축을 도모할 수 있다. 본 실시 형태의 전자 기기(1)는 휴대 전화기, 휴대형 오디오 기기, 디지털 카메라, 게임기 등에 바람직하다. 이와 같은 전자 기기(1)는 급전 장치에 세트되어 비접촉 충전이 행해진다.
도 16은 본 발명의 실시 형태에 따른 비접촉 충전 장치의 구성을 도시하고 있다. 도 17은 도 16에 도시하는 비접촉 충전 장치의 회로도이다. 도 16 및 도 17에 도시하는 비접촉 충전 장치(20)에서, 전자 기기(1)는 전술한 실시 형태에서 설명한 것이다. 도 16에서, 화살표는 자속의 흐름을 나타내고 있다. 도 17에서, 부호 21은 평활용의 컨덴서이다. 급전 장치(30)는 급전 코일(31)과 급전 코일용 자심(32)과 급전 코일(31)에 교류 전압을 인가하는 전원(33)을 구비하고 있다. 전자 기기(1)를 급전 장치(30) 상에 세트하였을 때, 급전 코일(31)은 수전 코일(11)과 비접촉으로 배치된다.
비접촉 충전 장치(20)에 의한 충전은 이하와 같이 하여 행해진다. 우선, 급전 장치(30)의 급전 코일(31)에 전원(33)으로부터 교류 전압을 인가하여, 급전 코일(31)에 자속을 발생시킨다. 급전 코일(31)에 발생시킨 자속은, 급전 코일(31)과 비접촉으로 배치된 수전 코일(11)에 전달된다. 수전 코일(11)에서는 자속을 받아 전자 유도에 의해 교류 전압이 생긴다. 이 교류 전압은 정류기(12)에서 정류된다. 정류기(12)에서 정류된 직류 전압은 이차 전지(13)에 충전된다. 이와 같이, 비접촉 충전 장치(20)에서는 비접촉으로 전력의 전송이 행해진다.
다음으로, 본 발명의 구체적인 실시예 및 그 평가 결과에 대해서 설명한다.
(충전 시스템)
비접촉 충전 시스템으로서 휴대 전화기용의 충전 시스템을 준비하였다. 급전 장치는 AC 전원으로부터의 전력을 제어 회로를 통하여 일정한 전자파로 변환하고, 그 전자파를 송신하는 1차 코일(급전 코일)을 거치대의 근방에 배치한 것이다. 휴대 전화기는 수전 장치로서 스파이럴 코일로 이루어지는 2차 코일(수전 코일)과 2차 코일에 생긴 교류 전력을 정류하는 정류기가 실장된 회로 기판과 이차 전지(Li 이온 2차 전지)를 구비하고 있다. 이차 코일은 구리선을 외주 30㎜, 내주 23㎜로 평면 형상으로 권회한 것이다.
(비교예 1)
상기한 휴대 전화기에서, 자성 박체를 이용하지 않고 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 비교예 1로 하였다.
(실시예 1)
자성 박체로서, 비투자율의 실성분 μr'가 5000, 평균 판 두께가 18㎛이고, 조성이 Co70Fe5Si5B20(원자비)인 아몰퍼스 합금 박대를 준비하였다. 아몰퍼스 합금 박대에 열처리는 실시하고 있지 않다. 아몰퍼스 합금 박대는 외주부의 비어져 나옴량 do가 6㎜인 형상을 갖는다. 이 아몰퍼스 합금 박대를 도 1에 도시한 바와 같이, 이차 코일(수전 코일(11))과 이차 전지(13) 사이에 배치하였다. 이와 같이 자성 박체를 갖는 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 1로 하였다.
(실시예 2∼10)
실시예 1과 동일 조성의 아몰퍼스 합금 박대를 이용하고, 열처리 조건, 평균 판 두께, 적층수를 표 1에 나타내는 조건으로 변경하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 각각 구성하였다. 이들 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 2∼10으로 하였다.
(실시예 11∼14)
자성 박체로서, Fe78B14Si8(원자비)의 조성을 갖는 아몰퍼스 합금 박대를 준비하였다. 이 아몰퍼스 합금 박대의 열처리 조건, 평균 판 두께, 적층수는 표 1에 나타내는 바와 같다. 이와 같은 아몰퍼스 합금 박대를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 각각 구성하였다. 이들 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 11∼14로 하였다.
(실시예 15∼17)
자성 박체로서, Co76Fe4Ni3Si6B11(원자비)의 조성을 갖는 아몰퍼스 합금 박대를 준비하였다. 이 아몰퍼스 합금 박대의 열처리 조건, 평균 판 두께, 적층수는 표 1에 나타내는 바와 같다. 이와 같은 아몰퍼스 합금 박대를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 각각 구성하였다. 이들 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 15∼17로 하였다.
(실시예 18)
자성 박체로서, 평균 판 두께가 25㎛이고, 조성이 Fe78Ni22(원자비)인 퍼멀로이 박판을 준비하였다. 이 퍼멀로이 박판에 수소 분위기 속에서 열처리를 실시하였다. 열처리 조건은, 1200℃×30분→100℃/h로 서냉→600℃×60분→100℃/h로 서냉의 2단계 열처리로 하였다. 2단계 열처리는 비투자율을 향상시키는 것이다. 이 와 같은 퍼멀로이 박판을 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 18로 하였다.
(실시예 19∼20)
자성 박체로서, Fe74Cu1Ni1Mn1Si15B8(원자비)의 조성을 갖는 Fe기 미결정 합금 박대를 준비하였다. Fe기 미결정 합금 박대는, 금속 조직의 95%(면적비)가 입경 40㎚ 이하의 미결정립으로 이루어진다. 이와 같은 Fe기 미결정 합금 박대를 단층으로, 혹은 3층 적층하여 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 각각 구성하였다. 이들 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 19∼20으로 하였다.
(실시예 21)
자성 박체로서, 3질량%의 Si를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지는 규소 동판을 준비하였다. 규소 동판의 평균 판 두께는 200㎛이다. 이와 같은 규소 동판을 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 실시예 21로 하였다.
(비교예 2)
자성 박체로서, 평균 판 두께가 25㎛이고, 조성이 Fe78Ni22(원자비)인 퍼멀로이 박판을 준비하였다. 퍼멀로이 박판에 수소 분위기 속에서 열처리를 실시하였 다. 열처리 조건은 1200℃×30분으로 하였다. 이 퍼멀로이 박판을 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 비교예 2로 하였다.
(비교예 3)
평균 입자경이 50㎛인 센더스트 분말을 수지 중에 분산시켜, 이것을 두께 250㎛의 시트 형상으로 성형하였다. 이 자성 시트를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 비교예 3으로 하였다.
(비교예 4)
수지 필름 상에 스퍼터법으로 Co65Zr19Nb16(원자비) 조성의 박막을 형성하여 자성 시트를 제작하였다. 이 자성 시트를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치를 이용한 휴대 전화기와 비접촉 충전 장치를 비교예 4로 하였다.
전술한 실시예 1∼21 및 비교예 1∼4의 μr'·t값은 표 2에 나타내는 바와 같다. 각 예의 비접촉 충전 장치의 결합 효율과 발열량을 측정 및 평가하였다. 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 결합 효율은, 1차 코일(급전 코일)로부터 일정한 전력(여기서는 1W)을 송신하였을 때, 어느 만큼의 전력을 2차 코일(수전 코일)에 전달할 수 있는지로 평가하였다. 비교예 1의 결합 효율(2차 코일에 전달되는 전력량)을 100으로 하였을 때, 2할 이상 향상된 것(120 이상 140 미만)을 ○, 4할 이상 향상된 것(140 이상)을 ◎, 2할 미만이었던 것(120 미만)을 ×로 나타냈다.
발열량은, 0.4W/h의 송전 속도와 1.5W/h의 송전 속도에 의한 송전을 각각 2시간 행하고, 2시간 후의 온도 상승을 측정하였다. 온도 상승이 25℃ 이하인 것을 ◎, 온도 상승이 25℃를 초과하고 40℃ 이하인 것을 ○, 온도 상승이 40℃를 초과한 것을 △로 나타냈다. 송전 전의 온도는 실온 25℃로 통일하였다. 수전 속도는 송전 속도가 0.4W/h일 때에 0.25W/h, 송전 속도가 1.5W/h일 때에 0.9W/h로 하였다.
Figure 112008073598363-pct00001
Figure 112008073598363-pct00002
*수전 속도는, 송전 속도가 0.4W/h일 때에 0.25W/h, 1.5W/h일 때에 0.9W/h로 한다.
표 2로부터 명백해지는 바와 같이, μr'·t값이 30000 이상인 자성 박체를 이용함으로써, 결합 효율(수전 효율)을 높이는 것이 가능하게 된다. 실시예에 관해서는, 2시간의 충전으로 거의 충전이 완료되었다. 또한，2시간 이상 충전한 상태를 5시간 유지하였지만, 온도는 그다지 상승하지 않았다. 이것은 과충전하여도 온도 상승이 포화되는 것을 의미한다. 온도 상승(발열량)에 관해서는, 전지 용량을 채우기 위한 충전(충전 속도)이 중요한 것을 알 수 있다. 한편, 비교예에서는 발열량이 컸다. 이와 같은 경우에는, 송전량을 작게 하여 장시간 충전하지 않으면 문제점이 생기게 된다.
(실시예 22)
실시예 8의 자성 박체(아몰퍼스 합금 박대를 3매 적층한 것)에서, 외주측의 비어져 나옴부(do=3㎜)를 절곡하여 절곡부를 형성하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 23)
실시예 8의 자성 박체에서, 스파이럴 코일의 중심부에 대응하는 위치에 볼록형상의 개방부(도 7 참조)를 형성하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 24)
실시예 8의 자성 박체에서, 스파이럴 코일의 중심부에 대응하는 위치에 개방부(도 8 참조)를 형성하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 25)
실시예 24의 자성 박체에서, di=0㎜로 하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 26)
실시예 24의 자성 박체에서, di=-3㎜로 하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 27)
실시예 24의 자성 박체에서, di=3㎜로 하였다. di가 3㎜인 비어져 나온 부분을 도 9에 도시한 바와 같이 절곡하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 28)
실시예 8의 자성 박체에서, 종횡으로 슬릿을 1개씩 형성하였다(도 10 참조). 슬릿의 폭은 100㎛로 하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 29)
실시예 8의 자성 박체에서, 종횡 각각에 복수의 슬릿을 형성하였다(도 11 참조). 슬릿은 중앙으로 감에 따라서 주기(형성 피치)가 좁아지도록 하였다. 슬릿의 폭은 50∼1000㎛의 범위로 하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 30)
실시예 8의 자성 박체에서, 복수개의 슬릿을 방사 형상으로 형성하였다(도 12 참조). 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 31)
실시예 8의 자성 박체에서, 박체의 단부로부터 도중까지의 슬릿을 복수개 형성하였다(도 13 참조). 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 32)
실시예 8의 자성 박체에서, 박체의 단부로부터 도중까지의 슬릿과 독립된 슬릿의 양방을 복수개 형성하였다(도 14 참조). 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 33)
실시예 8의 자성 박체에서, 3매의 아몰퍼스 합금 박대 중 2매는 그대로로 하고, 1매는 외주부를 절곡하여 절곡부를 형성하였다(도 15 참조). 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 34)
도 3에 도시한 바와 같이, 스파이럴 코일을 이차 전지의 주위에 배치하였다. 또한, 실시예 8과 동일 구성의 자성 박체를, 스파이럴 코일과 회로 기판 사이와 스파이럴 코일과 이차 전지 사이에 존재하도록 절곡하여 배치하였다. 이와 같은 구성을 적용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
(실시예 35)
실시예 3의 자성 박체에서, 분할 후의 자성 박체의 형상이 1×1㎜로 되도록 슬릿을 복수개 형성하였다. 이와 같은 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure 112008073598363-pct00003
*수전 속도는, 송전 속도가 0.4W/h일 때에 0.25W/h, 1.5W/h일 때에 0.9W/h로 한다.
표 3으로부터 명백해지는 바와 같이, 자성 박체에는 각종 형상을 적용할 수 있다. 그와 같은 자성 박체의 형상을 적절하게 사용함으로써, 한층 더한 효과가 얻어진다.
(실시예 36, 비교예 5)
표 4에 나타내는 바와 같이, R·μr'값이 상이한 자성 박체(퍼멀로이)를 준비하였다. 이들 자성 박체를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 수전 장치를 구성하였다. 이 수전 장치의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 및 평가하였다. 그 결과를 표 4에 아울러 나타낸다. 표 4로부터, R·μr'값은1.01×10-3 이상인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
Figure 112008073598363-pct00004
*수전 속도는, 송전 속도가 0.4W/h일 때에 0.25W/h, 1.5W/h일 때에 0.9W/h로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하는 것이 가능하다. 또한, 각 실시 형태는 가능한 범위에서 적절하게 조합하여 실시할 수 있으며, 그 경우에는 조합한 효과가 얻어진다. 또한, 상기 실시 형태에는 다양한 단계의 발명이 포함되어 있어, 개시되는 복수의 구성 요건에서의 적절한 조합에 의해 다양한 발명이 추출될 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 수전 장치 및 전자 기기는, 스파이럴 코일과 이차 전지, 정류기, 전자 디바이스, 회로 기판 등과의 사이의 1개소 이상에 자성 박체를 배치하고, 전자 유도에 기인하는 와전류의 발생을 억제하고 있다. 따라서, 와전류에 의한 발열, 노이즈 발생, 수전 효율의 저하 등을 억제하는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 수전 장치 및 전자 기기는, 비접촉 충전을 적용한 각종 전자 기기에 유효하게 이용되는 것이다.

Claims (20)

  1. 스파이럴 코일을 갖는 수전 코일과,
    상기 수전 코일에 발생한 교류 전압을 정류하는 정류기와,
    상기 정류기에서 정류된 직류 전압이 충전되는 이차 전지와,
    상기 스파이럴 코일과 상기 이차 전지 사이, 및 상기 스파이럴 코일과 상기 정류기 사이 중 적어도 1개소에 배치된, 1매 이상 3매 이하의 아몰퍼스 합금 박대 또는 Fe기 미결정 합금 박대로 이루어진 자성 박체를 구비하고,
    상기 아몰퍼스 합금 박대 또는 Fe기 미결정 합금 박대는, 단체(單體)의 두께가 5㎛ 이상 50㎛ 이하이고, 또한 상기 자성 박체의 비투자율의 실성분을 μr', 상기 자성 박체의 합계 판 두께를 t[㎛]로 하였을 때, 상기 자성 박체는 상기 비투자율의 실성분 μr'와 상기 합계 판 두께 t의 곱으로 표현되는 값(μr'·t)이 30000 이상 1320000 이하인 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성 박체는 상기 μr'·t값이 40000 이상 1320000 이하인 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자성 박체의 전기 저항값 R[Ω·m]이 R·μr'≥1.01×10-3을 만족시키는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성 박체의 외주 단부는 상기 스파이럴 코일의 외주부보다 외측으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성 박체는 슬릿을 갖는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자성 박체는 복수로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 Li 이온 이차 전지인 것을 특징으로 하는 수전 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수전 코일에 의한 수전 속도가 0.25W/h 이상인 것을 특징으로 하는 수 전 장치.
  10. 스파이럴 코일을 갖는 수전 코일과, 상기 수전 코일에 발생한 교류 전압을 정류하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 직류 전압이 충전되는 이차 전지를 구비하는 수전 장치와,
    상기 이차 전지로부터 상기 직류 전압이 공급되어 동작하는 전자 디바이스와, 상기 전자 디바이스가 실장된 회로 기판을 구비하는 전자 기기 본체와,
    상기 스파이럴 코일과 상기 이차 전지 사이, 상기 스파이럴 코일과 상기 정류기 사이, 상기 스파이럴 코일과 상기 전자 디바이스 사이, 및 상기 스파이럴 코일과 상기 회로 기판 사이 중 적어도 1개소에 배치된, 1매 이상 3매 이하의 아몰퍼스 합금 박대 또는 Fe기 미결정 합금 박대로 이루어진 자성 박체를 구비하고,
    상기 아몰퍼스 합금 박대 또는 Fe기 미결정 합금 박대는, 단체(單體)의 두께가 5㎛ 이상 50㎛ 이하이고, 또한 상기 자성 박체의 비투자율의 실성분을 μr', 상기 자성 박체의 합계 판 두께를 t[㎛]로 하였을 때, 상기 자성 박체는 상기 비투자율의 실성분 μr'와 상기 합계 판 두께 t의 곱으로 표현되는 값(μr'·t)이 30000 이상 1320000 이하인 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자성 박체는 상기 μr'·t값이 40000 이상 1320000 이하인 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자성 박체의 전기 저항값 R[Ω·m]이 R·μr'≥1.01×10-3을 만족시키는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 스파이럴 코일은 상기 이차 전지의 주위에 배치되어 있고, 또한 상기 자성 박체는 상기 스파이럴 코일과 상기 회로 기판 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 자성 박체는 그 외주 단부를 상기 회로 기판과 반대 방향으로 절곡한 절곡부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 자성 박체의 외주 단부는 상기 스파이럴 코일의 외주부보다 외측으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  16. 삭제
  17. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지는 Li 이온 이차 전지인 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 수전 코일에 의한 수전 속도가 0.25W/h 이상인 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  19. 제10항의 전자 기기와,
    상기 전자 기기의 상기 수전 코일과 비접촉으로 배치되는 급전 코일과, 상기 급전 코일에 교류 전압을 인가하는 전원을 구비하는 급전 장치를 구비하고,
    상기 급전 코일에 발생시킨 자속을 상기 수전 코일에 전달하여 전력을 비접촉으로 전송하는 것을 특징으로 하는 비접촉 충전 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 수전 코일에 의한 수전 속도가 0.25W/h 이상인 것을 특징으로 하는 비접촉 충전 장치.
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