KR20150093757A

KR20150093757A - 코일 모듈

Info

Publication number: KR20150093757A
Application number: KR1020157017869A
Authority: KR
Inventors: 타츠오 쿠무라; 유스케 쿠보
Original assignee: 데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-08-18
Also published as: HK1209905A1; TWI563523B; JP2014110594A; WO2014087888A1; US10002704B2; US20150325362A1; CN104823324B; JP6050667B2; TW201435935A; KR102043087B1; CN104823324A

Abstract

본 발명은, 자기 포화에 강한 재료 및 구조를 도입함으로써 소형·박형화를 실현한 코일 모듈을 제공한다. 자성 재료를 포함하는 자기 실드층(4)과, 스파이럴 코일(2)을 구비하고, 자기 실드층(4)은, 자성 입자를 함유하는 복수의 자성 수지층(4a, 4b)을 가지며, 스파이럴 코일(2)은, 적어도 일부가 자성 수지층(4a, 4b)의 일부에 매설되어 있다. 이것에 의하여, 자성 수지층에 의한 방열 효과를 얻으면서 소형화·박형화가 가능해진다. 또한 자기 포화에 강한 자성 수지층을 갖고 있으므로, 강한 자장이 인가되어 있는 환경 하에서도 코일 인덕턴스의 변화가 적어, 안정된 통신을 할 수 있다.

Description

코일 모듈 {COIL MODULE}

본 발명은, 스파이럴 코일과 자기 실드재를 포함하는 자기 실드층을 구비하는 코일 모듈에 관한 것이며, 특히 자기 실드층으로서 자성 입자를 함유하는 자성 수지층을 갖는 코일 모듈에 관한 것이다. 본 출원은, 일본에서 2012년 12월 4일에 출원된 일본 특허 출원 제2012-265135호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 상기 출원을 참조함으로써 본 출원에 원용된다.

최근의 무선 통신 기기에 있어서는, 전화 통신용 안테나, GPS용 안테나, 무선 랜/블루투스(LAN/BLUETOOTH(등록 상표))용 안테나, 나아가 RFID(Radio Frequency Identification)와 같은 복수의 RF 안테나가 탑재되어 있다. 이들 외에, 비접촉 충전의 도입에 수반하여 전력 전송용의 안테나 코일도 탑재되도록 되고 있다. 비접촉 충전 방식에서 사용되는 전력 전송 방식으로는, 전자기 유도 방식, 전파 수신 방식, 자기 공명 방식 등을 들 수 있다. 이들은 모두 1차측 코일과 2차측 코일 간의 전자기 유도나 자기 공명을 이용한 것이며, 상술한 RFID도 전자기 유도를 이용하고 있다.

이들 안테나는, 안테나 단체(單體)로, 원하는 주파수에 있어서 최대의 특성이 얻어지도록 설계되어 있더라도, 실제로 전자 기기에 실장되면, 원하는 특성을 얻는 것은 곤란하다. 이는, 안테나 주변의 자계 성분이, 주변에 위치하는 금속 등과 간섭(결합)하여 안테나 코일의 인덕턴스가 실질적으로 감소하기 때문에, 공진 주파수가 시프트해 버리는 것에 의한다. 또한 인덕턴스의 실질적 감소에 의하여 수신 감도가 저하되어 버린다. 이들 대책으로서, 안테나 코일과 그의 주변에 존재하는 금속 사이에 자기 실드재를 삽입하는 것에 의하여, 안테나 코일로부터 발생한 자속을 자기 실드재에 모음으로써, 금속에 의한 간섭을 저감시킬 수 있다.

일본 특허 공개 제2008-210861호 공보

상술한 안테나 일반의 문제 외에, 전자기 유도형의 비접촉 충전에 있어서는, 안테나 코일의 발열을 억제하면서 1차측으로부터 2차측으로의 전송 전력의 전송 효율을 향상시킬 필요가 있다. 그리고 휴대 단말 기기와 같은 전자 기기에 탑재할 것을 고려하면, 안테나 코일의 소형화 및 박형화를 달성하는 것이 가장 중요하다. 예를 들어 특허문헌 1에는, 도 7에 도시한 바와 같이, 스파이럴 코일 형상의 루프 안테나 소자(2)에 자속 집속용의 방자 시트(여기서는 자기 시트(4c)로서 설명함)를, 접착제를 도포한 접착제층(41)을 개재하여 부착한 구성의 코일 모듈(50)이 기재되어 있다. 또한 전자기 유도형의 비접촉 충전 용도에 맞는 코일 모듈의 박형화를 위하여, 페라이트 등에 의하여 시트상으로 형성된 자기 시트(4b)에 절결부(21)를 형성하고, 코일의 도선(1)의 인출부(3a)를 절결부(21)에 수용하는 기술이 기재되어 있다.

그러나 안테나 코일로서 사용되는 스파이럴 코일과, 이에 인접시켜 배치된 자기 시트를 구비하는 종래의 코일 모듈에 있어서는, 코일 모듈을 더 소형화하고 박형화하기 위해서는 코일의 권선을 가늘게 하거나 자기 실드재를 얇게 하는 수밖에 방법이 없다. 코일의 권선을 가늘게 하면, 도선(주로 Cu가 사용됨)의 저항값이 상승하여 코일의 온도가 상승해 버린다. 코일의 발열에 의하여 전자 기기의 하우징 내 온도가 상승하면, 냉각을 위한 공간이 필요해져 소형화, 박형화의 방해가 된다. 또한 자기 시트를 소형화하거나 얇게 하거나 하면, 자기 실드 효과가 감소하여 안테나 코일 주변의 금속(예를 들어 배터리 팩의 외장 케이스 등)에 있어서 와전류가 발생하고, 또, 코일 인덕턴스도 낮아지기 때문에 전송 효율이 저하된다는 문제가 발생한다. 또한, 강한 자장이 인가되어 있는 환경 하에서는, 자기 시트가 자기 포화됨으로써 자기 실드 특성 및 코일 인덕턴스가 크게 저하된다는 문제도 발생한다.

종래의 코일 모듈에서는, 제조 공정에 있어서, 자기 시트에 스파이럴 코일을 고정하는 데 접착제를 사용하고 있기 때문에 제조 공정이 복잡하며, 나아가 접착제를 도포한 층에도 두께가 있으므로, 코일 모듈의 두께를 증대시켜 버린다는 문제가 있다.

또한 종래의 코일 모듈에서는, 자기 시트에 취약한 페라이트를 사용하는 경우가 많으며, 이 경우, 외력에 의한 파손을 방지할 목적으로 절연성의 재료를 포함하는 보호 시트를 자기 시트의 양면에 부착하는 경우가 있다. 그 때문에, 보호 시트 부착 공정이 필요해지고, 또한 보호 시트의 두께만큼 코일 모듈의 두께가 더 증대된다는 문제가 있다.

따라서 본 발명은, 자기 포화에 강한 재료 및 구조를 도입함으로써 소형·박형화를 실현한 코일 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 코일 모듈은, 자성 재료를 포함하는 자기 실드층과, 스파이럴 코일을 구비한다. 그리고 자기 실드층은, 자성 입자를 함유하는 복수의 자성 수지층을 적층한 것이며, 스파이럴 코일은, 적어도 그의 일부가 자성 수지층에 매설되어 있다. 또한 자기 실드층은, 자성 입자를 함유하는 복수의 자성 수지층과 자성층을 적층한 것으로 되어 있다.

본 발명에 따른 코일 모듈은, 자기 실드층의 적어도 일부가 자성 수지층에 매설되어 있는 자성 수지층을 갖고 있으므로, 자성 수지층에 의한 방열 효과를 얻으면서 소형화·박형화가 가능해진다. 또한 자기 포화에 강한 자성 수지층을 갖고 있으므로, 강한 자장이 인가되어 있는 환경 하에서도 코일 인덕턴스의 변화가 적어, 안정된 통신을 할 수 있다.

도 1a는 본 발명이 적용된 제1 실시 형태에 있어서의 코일 모듈의 평면도이다. 도 1b는 도 1a의 AA' 선에 있어서의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 코일 인덕턴스의 측정에 사용한 코일 유닛의 측정 상태를 도시한 간략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 자기 실드층의 자기 포화에 의한 코일 인덕턴스의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명이 적용된 제2 실시 형태에 있어서의 코일 모듈을 도시한 평면도이다. 도 4b는 도 4a의 AA' 선에 있어서의 단면도이다.
도 5는 제2 실시 형태의 코일 모듈의 코일 인덕턴스의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명이 적용된 제2 실시 형태에 있어서의 변형예의 코일 모듈을 도시한 평면도이다. 도 6b는 도 6a의 AA' 선에 있어서의 단면도이다.
도 7a는 특허문헌 1에 기재된 종래의 코일 모듈의 평면도이다. 도 7b는 도 7a의 AA' 선에 있어서의 단면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한 본 발명은 이하의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.

[제1 실시 형태]

<코일 모듈의 구성>

도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 있어서의 코일 모듈(11)은, 도선(1)을 와권상으로 권회하여 형성된 스파이럴 코일(2)과, 자성 재료를 포함하는 자기 실드층(4)을 구비한다. 스파이럴 코일(2)은, 도선(1)의 단부에 인출부(3a, 3b)를 갖고 있으며, 인출부(3a, 3b)에 정류 회로 등을 접속함으로써, 비접촉 충전 회로의 2차측 회로를 구성한다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 스파이럴 코일(2)의 내경측의 인출부(3a)는, 권회되어 있는 도선(1)의 하면측을 통과하여, 도선(1)에 교차하도록 되어 스파이럴 코일(2)의 외경측으로 인출된다. 자기 실드층(4)은, 자성 입자를 함유하는 수지를 포함하는 자성 수지층(4a, 4b)을 갖는다. 또한 자성 수지층(4b)에, 자성 수지층(4a)의 자성 입자 함유 수지를 포함하는 절결부(21)를 형성하고, 코일의 도선(1)의 내경측의 인출부(3a)를 절결부(21)에 수용한다. 따라서 자성 수지층(4a, 4b)은, 바람직하게는 스파이럴 코일(2) 전체를 매설함으로써 형성된다. 여기서, 자성 수지층(4a, 4b)의 총 두께는 도선(1)의 굵기×2 이하로 할 수 있으므로, 코일 모듈(11)의 두께는 도선(1)의 굵기×2로 할 수 있다.

자성 수지층(4a, 4b)은, 연자성 분말을 포함하는 자성 입자와, 결합제로서의 수지를 포함하고 있다. 자성 입자는, 페라이트 등의 산화물 자성체, Fe계, Co계, Ni계, Fe-Ni계, Fe-Co계, Fe-Al계, Fe-Si계, Fe-Si-Al계, Fe-Ni-Si-Al계 등의 결정계, 미결정계 금속 자성체, 또는 Fe-Si-B계, Fe-Si-B-Cr계, Co-Si-B계, Co-Zr계, Co-Nb계, Co-Ta계 등의 비정질 금속 자성체의 입자이다. 또한 자성 수지층(4a, 4b)에는 상기 자성 입자 외에, 열전도성이나 입자 충전성 등을 향상시키기 위하여 필러를 포함하도록 할 수도 있다.

자성 수지층(4a)에 사용하는 자성 입자에는, 입경(D50)이 수 ㎛ 내지 100㎛인 구형, 편평, 또는 분쇄된 분말을 사용하지만, 단체의 자성 분말뿐만 아니라 분말 직경, 재질, 형상이 상이한 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상술한 자성 입자 중 특히 금속 자성 입자를 사용하는 경우에는, 복소 투자율이 주파수 특성을 갖고 있어, 동작 주파수가 높아지면 표피 효과에 의하여 손실이 발생하므로, 사용하는 주파수의 대역에 따라 입경 및 형상을 조정한다. 또한 코일 모듈(11)의 인덕턴스값은 자성 수지층(4a, 4b)의 실부 평균 투자율(이하, 간단히 평균 투자율이라고 함)에 의하여 결정되는데, 이 평균 투자율은 자성 입자와 수지의 혼합 비율에 의하여 조정할 수 있다. 자성 수지층(4a, 4b)의 평균 투자율과, 배합하는 자성 입자의 투자율의 관계는, 배합량에 대하여 일반적으로 대수 혼합칙에 따르므로, 자성 입자의 체적 충전율은, 입자 간의 상호 작용이 증가해 가는 40vol％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 자성 수지층(4a, 4b)의 열전도 특성도 자성 입자의 충전율의 증대와 함께 향상된다.

자성 수지층(4b)에 사용하는 자성 입자에는, 입경(D50)이 수 ㎛ 내지 200㎛인 구상, 가늘고 긴(여송연형), 또는 편평한(원반형) 회전 타원체 형상인 것이 바람직하고, 또한 회전 타원체 형상의 치수비(긴 직경/짧은 직경)가 6 이하인 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 자성 수지층(4b)에 사용하는 자성 입자에 대해서도, 단체의 자성 입자뿐만 아니라 분말 직경, 재질, 치수비가 상이한 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 자성 수지층(4a)은, 스파이럴 코일(2)이 매립되는 층이기 때문에, 미경화 상태에서 유동성, 변형성을 확보하기 위하여 자성 입자의 충전율을 적게 하고 있다. 이에 비하여 자성 수지층(4b)은, 스파이럴 코일(2)이 파고들지 않거나, 또는 일부가 파고들 정도로 설계되어 있어, 상기 유동성, 변형성이 적을 수도 있으므로, 자성 입자의 충전율을 자성 수지층(4a)보다도 크게 하여, 자기 실드 특성이 커지도록 하고 있다. 특히 충전성을 높여 자기 특성을 개선할 목적으로, 자성 수지층(4b)으로서, 금속 자성 입자와 수지 및 윤활제 등을 혼합하여 압축 성형한 압분 자심을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 자성 수지층(4b)의 입자 형상은, 구형으로부터 치수비가 작은 회전 타원체로 되어 있으며, 반자계 계수가 커, 외부로부터의 자장에 대하여 포화되기 어려운 형상으로 되어 있다. 이들 반자계 계수가 큰 입자가 수지를 개재하여 자성 수지층(4b)을 형성하기 때문에, 자장이 큰 환경 하에서도 자기 포화의 영향이 적은 자기 특성을 얻을 수 있다.

자성 수지층(4a, 4b)을 형성하는 결합제는, 열, 자외선 조사 등에 의하여 경화되는 수지 등을 사용한다. 결합제로서는, 예를 들어 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 불포화 폴리에스테르 등의 수지, 또는 실리콘 고무, 우레탄 고무, 아크릴 고무, 부틸 고무, 에틸렌프로필렌 고무 등의 고무 등, 주지의 재료를 사용할 수 있다. 이들에 한정되지 않는 것은 물론이다. 또한 상술한 수지 또는 고무에, 난연제, 반응 조정재, 가교제 또는 실란 커플링제 등의 표면 처리제를 적당량 첨가할 수도 있다.

스파이럴 코일(2)을 형성하는 도선(1)은, 5W 정도의 충전 출력 용량의 경우이며, 120㎑ 정도의 주파수로 사용될 때는, 0.20㎜ 내지 0.45㎜의 직경의, Cu 또는 Cu를 주성분으로 하는 합금을 포함하는 단선을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 도선(1)의 표피 효과를 저감시키기 위하여, 상술한 단선보다도 가는 세선을 복수 개 집속한 병행선, 편선을 사용할 수도 있으며, 두께가 얇은 평각선 또는 편평선을 사용하여 1층 또는 2층의 α 권선으로 할 수도 있다. 또한 코일부를 얇게 하기 위하여, 도체를 유전체 기재의 편면 또는 양면에 얇게 패터닝하여 제작한 FPC(Flexible printed circuit) 코일을 사용할 수도 있다.

<코일 모듈의 제조 방법>

다음으로, 코일 모듈(11)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 먼저 자성 수지층(4b)의 시트를 제작한다. 자성 입자와, 결합제인 수지나 고무를 혼련한 것을, PET 등의 박리 처리된 시트 상에 도포하고, 닥터 블레이드법 등에 의하여 소정의 두께의 미경화 시트를 얻는다. 이 위에, 마찬가지로 하여 제작한 자성 수지층(4a)의 시트를 중첩시키고, 스파이럴 코일(2)을 압입하고 가열 또는 가압 가열함으로써 상기 결합제를 경화시켜, 코일 모듈(11)을 완성시킨다. 자성 입자 충전량이 많은 자성 수지층(4b)은, 스파이럴 코일(2) 아래에 배치시킴으로써 자기 실드성을 높일 수 있으므로, 시트상으로 한 후 미리 가열 또는 가압 가열하여, 유동성이 적어 스파이럴 코일(2)이 파고들기 어려운 상태로 할 수도 있다. 그리고 그 위에 자성 수지층(4a)의 시트를 중첩시키고, 스파이럴 코일(2)을 압입하고 가열, 가압 가열함으로써 결합제를 경화시켜, 코일 모듈(11)을 완성시킬 수도 있다. 완성된 코일 모듈(11)은, 스파이럴 코일(2)에, 열전도성을 갖는 자성 수지층(4a)이 밀착되어 있으므로, 스파이럴 코일(2)에서 발생한 열을 효과적으로 방산할 수 있다.

다른 제작 방법으로서 형틀을 사용할 수도 있다. 먼저 자성 수지층(4b)을 형성하기 위하여, 소정의 배합비로 조정된, 자성 입자와 결합제 등의 혼합물을 형틀에 주입하여 건조시킨다. 그 후, 자성 수지층(4a)을 형성하기 위하여, 소정의 배합비로 조정된, 자성 입자와 결합제 등의 혼합물을 형틀의 자성 수지층(4b) 상에 주입하여 건조시키고, 또한 스파이럴 코일(2)을 소정의 위치에 배치하고, 스파이럴 코일(2) 상으로부터 가압 가열함으로써 코일 모듈(20)을 완성시킬 수 있다. 이 경우에도, 상기 시트를 중첩시켜 제작하는 방법과 마찬가지로, 자성 수지층(4b)을 가열 또는 가압 가열하여 유동성이 적은 층을 형성한 후, 자성 수지층(4a)을 형성하도록 할 수도 있다.

스파이럴 코일(2)은, 도 1에 도시한 바와 같이 자기 실드층(4)에 완전히 매설시킬 수도 있고, 또는 도선(1)과 인출부(3b)의 일부가 노출되는 구조일 수도 있다. 또한 자기 실드층(4)이 도체(1)의 하면측의 영역과 스파이럴 코일(2)의 외형부를 충전하는 구조일 수도 있고, 도체(1)의 하면측의 영역과 스파이럴 코일(2)의 내경부를 충전하는 구조일 수도 있다.

이러한 제조 방법에 의하면, 스파이럴 코일(2)과 자기 실드층(4)을 고정하는 경우에, 자기 실드층(4) 자체가 접착성을 가지므로, 종래예와 같이 코일과 자기 실드의 접합에 접착층을 사용할 필요가 없다. 따라서 접착층을 형성하는 공정이 삭감되고, 또한 스파이럴 코일(2)을 자기 실드층(4)에 매설할 때, 가압하여 경화시키므로 스파이럴 코일(2)의 휨도 교정되어, 두께 변동이 적은 코일 모듈(11)을 제작할 수 있다. 또한 접착층이 없는 만큼 코일 모듈(11)의 박형화가 가능해진다. 또한 자성 수지층(4a, 4b)에는, 상술한 바와 같이 수지가 혼련되어 있기 때문에, 외부로부터의 충격에 대하여 페라이트 등에서 발생하는 것과 같은 갈라짐 등의 파손을 발생시킬 위험이 적어, 표면에 보호 시트를 부착할 필요가 없다. 따라서 보호 시트 부착 공정을 삭감할 수 있어, 보호 시트에 따른 코일 모듈(11)의 두께의 증대를 억제할 수 있다.

<제1 실시 형태의 코일 모듈의 특성>

제1 실시 형태의 코일 모듈의 특성을, 코일 인덕턴스에 부여하는 자기 포화의 영향이라는 형태로 평가하였다. 여기서는 비접촉 급전 용도를 상정한 평가로 하였다. 도 2a 및 도 2b는, 측정 시의 평가 코일의 구성을 도시한 도면이다. 도 2a는, 외부 직류 자계가 없는 상태이며, 수전 코일 유닛(30)의 자기 실드층(4)측에 전지 팩(31)을 부착하여 측정하는 상태를 도시한 도면이다. 또한 도 2b는, 외부 직류 자계가 있는 상태이며, 도 2a에 도시한 수전 코일 유닛(30)에, 마그네트를 장착한 송신 코일 유닛(40)(WPC 규격 System Description Wireless Power Transfer Volume1: Low Power에 기재된 디자인 A1)을, 서로의 코일 중심을 맞추도록 2.5㎜의 아크릴판을 개재하여 맞대고 측정하는 상태를 도시한 도면이다. 인덕턴스의 측정에는 애질런트사의 임피던스 애널라이저 4294A를 사용하였다.

도 3a 내지 도 3d는, 14T의 직사각형 코일(외경 31×43㎜)에 각종 자기 실드층(4)을 부착한 코일 유닛의 코일 인덕턴스를 측정한 것이다. 도 2a에 도시한 바와 같은 외부 직류 자계가 없는 상태에서의 측정값에 대하여, 도 2b에 도시한 바와 같은 외부 직류 자계가 있는 상태에서 측정값이 얼마만큼 변화했는지를 퍼센트로 나타내었다. 여기서, 마이너스는 인덕턴스의 저하를 의미한다. 도 3a에 나타낸 그래프는, 코일 모듈(11)의 자기 실드층(4)으로서, 구상의 비정질 분말을 배합한, 평균 투자율 10 정도를 갖는 자성 수지층(4a)과, 구상 비정질 분말을 배합한, 평균 투자율 20 정도를 갖는 자성 수지층(4b)을 사용하여, 자성 수지층(4b)의 두께를 변화시켜 측정한 것이다. 또한 도 3b는, 코일 모듈(11)의 자기 실드층(4)으로서, 구상의 비정질 분말을 배합한, 평균 투자율 10 정도를 갖는 자성 수지층(4a)과, 구상 센더스트 분말을 배합한, 평균 투자율 16 정도를 갖는 자성 수지층(4b)을 사용하여, 자성 수지층(4b)의 두께를 변화시켜 측정한 것이다. 또한 도 3c는, 자기 실드층(4)으로서, 센더스트계의, 치수비 50 정도의 편평 분말을 결합제와 혼합하여 제작한, 평균 투자율 100 정도를 갖는 자성 시트를 사용하여, 자성 시트의 두께를 변화시켜 측정한 것이다. 또한 도 3d는, 자기 실드층(4)으로서, 투자율 1500 정도의 MnZn계의 벌크 페라이트를 사용하여, 벌크 페라이트의 두께를 변화시켜 측정한 것이다.

도 3d에 나타낸 바와 같이 자기 실드층(4)에 벌크 페라이트를 사용했을 경우, 송신 코일 유닛에 장착된 마그네트의 영향으로 페라이트에 자기 포화가 발생하여, 인덕턴스가 크게 저하되었다. 실드층이 얇아질수록 자기 포화되기 쉬워지므로, 이 경향은 더 현저해진다. 또한 도 3c에 나타낸 바와 같이 자성 실드층(4)에 자성 시트를 사용했을 경우에도, 도 3d와 마찬가지의 결과로 되어 있다. 한편, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이 구상 분말을 사용한 자성 수지층을 자성 실드층(4)으로 한 실시예에서는, 인덕턴스의 저하는 작은 것으로 되어 있다. 덧붙여 말하면, 인덕턴스가 플러스로 되는 것은, 송전 코일 유닛을 구성하는 자기 실드층이 크기 때문에 자속이 수전 코일 유닛 근방에 집속된 것에 의한다. 이와 같이 제1 실시 형태의 코일 모듈의 구성으로 함으로써, 마그네트가 장착된 송신 코일 유닛에 대해서도, 또는 큰 직류 자장이 있는 환경에서도 코일 인덕턴스의 변화가 적다. 따라서 수전 모듈의 공진 주파수의 변화가 적어, 안정된 전력 전송이 가능해진다.

[제2 실시 형태]

<코일 모듈의 구성>

도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태에 있어서의 코일 모듈(12)은, 도선(1)을 와권상으로 권회하여 형성된 스파이럴 코일(2)과, 자성 재료를 포함하는 자기 실드층(4)으로서, 자성 입자를 함유하는 수지를 포함하는 자성 수지층(4a, 4b)과, 자성층(4c)을 구비한다. 스파이럴 코일(2)은, 도선(1)의 단부에 인출부(3a, 3b)를 갖고 있으며, 인출부(3a, 3b)에 정류 회로 등을 접속함으로써, 비접촉 충전 회로의 2차측 회로를 구성한다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 스파이럴 코일(2)의 내경측의 인출부(3a)는, 권회되어 있는 도선(1)의 하면측을 통과하여, 도선(1)에 교차하도록 되어 스파이럴 코일(2)의 외경측으로 인출된다. 또한 자성 수지층(4b) 및 자성층(4c)에, 자성 수지층(4a)의 자성 입자 함유 수지를 포함하는 절결부(21)를 형성하고, 코일의 도선(1)의 내경측의 인출부(3a)를 절결부(21)에 수용한다. 따라서 자성 수지층(4a, 4b) 및 자성층(4c)은, 바람직하게는 스파이럴 코일(2) 전체를 매설함으로써 형성된다. 여기서, 자성 수지층(4a, 4b) 및 자성층(4c)의 총 두께는 도선(1)의 굵기×2 이하로 할 수 있으므로, 코일 모듈(12)의 두께는 도선(1)의 굵기×2로 할 수 있다.

자성 수지층(4a, 4b)은, 연자성 분말을 포함하는 자성 입자와, 결합제로서의 수지를 포함하고 있다. 자성 입자는, 페라이트 등의 산화물 자성체, Fe계, Co계, Ni계, Fe-Ni계, Fe-Co계, Fe-Al계, Fe-Si계, Fe-Si-Al계, Fe-Ni-Si-Al계 등의 결정계, 미결정계 금속 자성체, 또는 Fe-Si-B계, Fe-Si-B-C계, Co-Si-B계, Co-Zr계, Co-Nb계, Co-Ta계 등의 비정질 금속 자성체의 입자이다. 또한 자성 수지층(4a, 4b)에는 상기 자성 입자 외에, 열전도성이나 입자 충전성 등을 향상시키기 위하여 필러를 포함하도록 할 수도 있다.

자성 수지층(4a)에 사용하는 자성 입자에는, 입경(D50)이 수 ㎛ 내지 100㎛인 구형, 편평, 또는 분쇄된 분말을 사용하지만, 단체의 자성 분말뿐만 아니라 분말 직경, 재질, 형상이 상이한 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상술한 자성 입자 중 특히 금속 자성 입자를 사용하는 경우에는, 복소 투자율이 주파수 특성을 갖고 있어, 동작 주파수가 높아지면 표피 효과에 의하여 손실이 발생하므로, 사용하는 주파수의 대역에 따라 입경 및 형상을 조정한다. 또한 코일 모듈(11)의 인덕턴스값은 자성 수지층(4a, 4b)의 실부 평균 투자율(이하, 간단히 평균 투자율이라고 함)에 의하여 결정되는데, 이 평균 투자율은 자성 입자와 수지의 혼합 비율에 의하여 조정할 수 있다. 자성 수지층(4a, 4b)의 평균 투자율과, 배합하는 자성 입자의 투자율의 관계는, 배합량에 대하여 일반적으로 대수 혼합칙을 따르므로, 자성 입자의 체적 충전율은, 입자 간의 상호 작용이 증가해 가는 40vol％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 자성 수지층(4a, 4b)의 열전도 특성도 자성 입자의 충전율의 증대와 함께 향상된다.

자성 수지층(4b)에 사용하는 자성 입자에는, 입경(D50)이 수 ㎛ 내지 200㎛인 구상, 가늘고 긴(여송연형), 또는 편평한(원반형) 회전 타원체 형상인 것이 바람직하고, 또한 회전 타원체 형상의 치수비(긴 직경/짧은 직경)가 6 이하인 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 자성 수지층(4b)에 사용하는 자성 입자에 대해서도, 단체의 자성 입자뿐만 아니라 분말 직경, 재질, 치수비가 상이한 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 자성 수지층(4a)은, 스파이럴 코일(2)이 매립되는 층이기 때문에, 미경화 상태에서 유동성, 변형성을 확보하기 위하여 자성 입자의 충전율을 적게 하고 있다. 이에 비하여 자성 수지층(4b)은, 스파이럴 코일(2)이 파고들지 않거나, 또는 일부가 파고들 정도로 설계되어 있어, 상기 유동성, 변형성이 적을 수도 있으므로, 자성 입자의 충전율을 자성 수지층(4a)보다도 크게 하여, 자기 실드 특성이 커지도록 하고 있다. 또한 자성 수지층(4b)의 입자 형상은, 구형으로부터 치수비가 작은 회전 타원체로 하고 되어 있으며, 반자계 계수가 커, 외부로부터의 자장에 대하여 포화되기 어려운 형상으로 되어 있다. 이들 반자계 계수가 큰 입자가 수지를 개재하여 자성 수지층(4b)을 형성하기 때문에, 자장이 큰 환경 하에서도 자기 포화의 영향이 적은 자기 특성을 얻을 수 있다.

자성층(4c)에는, 투자율이 높은 센더스트, 퍼멀로이, 비정질 등의 금속 자성체나, MnZn계 페라이트, NiZn계 페라이트, 또는 자성 수지층(4a, 4b)에 사용되는 자성 입자에 소량의 결합제를 첨가하여 압축 성형하여 제작한 압분 성형 재료를 사용할 수 있다. 또한 자성 입자를 수지 등에 고충전한 자성 수지층일 수도 있다. 자성층(4c)은 코일 인덕턴스를 더 높이기 위하여 형성되어 있으며, 평균 투자율은 자성 수지층(4a, 4b)보다도 커지도록 설계되어 있다. 이러한 관계를 유지할 수 있는 것이면, 자성체의 종류, 형상, 크기, 구조 등에 관계없이 자성층(4c)으로서 채용할 수 있다.

자성층(4c)은, 자기 실드 성능을 향상시켜 코일 인덕턴스를 효과적으로 향상시키기 위하여 형성된 것이다. 따라서 도 4에 도시한 구성에서는, 자성 수지층(4b) 아래에 형성되어 있지만, 자성 수지층(4a)과 자성 수지층(4b) 사이에 형성할 수도 있고, 또한 자성 수지층(4a) 또는 자성 수지층(4b) 중에 일부 또는 전부가 매립된 형태일 수도 있다.

<제2 실시 형태의 코일 모듈의 특성>

제2 실시 형태의 코일 모듈(12)의 효과를 보기 위하여 코일 인덕턴스를 측정하였다. 측정은, 제1 실시 형태의 코일 모듈(11)의 특성 평가와 마찬가지로, 도 2a 및 도 2b에 각각 도시한, 외부 직류 자계가 없는 상태와 외부 직류 자계가 있는 상태를 측정하였다. 인덕턴스의 측정에는 애질런트사의 임피던스 애널라이저 4294A를 사용하였다.

도 5는, 15T의 직사각형 코일(외형 28×49㎜)을 사용한 코일 모듈(12)의 자성 수지층(4b)측에 50㎛, 100㎛ 두께의 자성층(4c)을 부착하여 코일 인덕턴스를 측정한 그래프이다. 평가용 코일 유닛의 자기 실드층(4)은, 구상의 비정질 분말을 배합한, 평균 투자율 10 정도를 갖는 자성 수지층(4a)과, 구상 비정질 분말을 배합한, 평균 투자율 20 정도를 갖는 자성 수지층(4b)(두께 0.4㎜)을 포함하며, 또한 이에 자성층(4c)을 추가한 것으로 하였다. 자성층(4c)에는, 센더스트계의, 치수비 50 정도의 편평 분말을 결합제와 혼합하여 제작한, 투자율 100 정도를 갖는 자성 시트를 사용하였다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 얇은 자성층(4c)을 추가함으로써 코일 인덕턴스를 크게 향상시킬 수 있다. 단, 도 3c에서 나타낸 바와 같이 마그네트에 의한 자기 포화가 크므로, 강한 자장이 인가된 상태에서는 인덕턴스를 향상시키는 효과는 적다. 동일한 두께에서 비교했을 경우, 자성층(4c)은 자성 수지층(4b)보다도 인덕턴스를 증가시키는 효과가 높고, 반대로 강한 자장이 인가된 상태에서는 자성 수지층(4b) 쪽이 인덕턴스를 향상시키는 효과가 높으므로, 상기 2개의 층의 비율을 조정함으로써, 자기 실드성이나 회로의 공진 조건에 강하게 영향을 미치는 코일 인덕턴스와 그의 자기 포화 특성을, 원하는 성능으로 조정할 수 있다.

[변형예]

<코일 모듈의 구성>

도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 변형예로서 나타낸 코일 모듈(13)은, 자기 실드층(4)으로서, 자성 입자를 함유하는 수지를 포함하는 자성 수지층(4a, 4b), 자성층(4c), 자성 수지층(4d)을 구비하는 것 이외에는, 제2 실시 형태의 코일 모듈(12)와 마찬가지의 구성이다. 스파이럴 코일(2)은, 도선(1)의 단부에 인출부(3a, 3b)를 갖고 있으며, 인출부(3a, 3b)에 정류 회로 등을 접속함으로써, 비접촉 충전 회로의 2차측 회로를 구성한다. 도 6b에 도시한 바와 같이, 스파이럴 코일(2)의 내경측의 인출부(3a)는, 권회되어 있는 도선(1)의 하면측을 통과하여, 도선(1)에 교차하도록 되어 스파이럴 코일(2)의 외경측으로 인출된다. 또한 자성 수지층(4b) 및 자성층(4c)에, 자성 수지층(4a)의 자성 입자 함유 수지를 포함하는 절결부(21)를 형성하고, 코일의 도선(1)의 내경측의 인출부(3a)를 절결부(21)에 수용한다. 따라서 자성 수지층(4a, 4b, 4d) 및 자성층(4c)은, 바람직하게는 스파이럴 코일(2)의 전체를 매설함으로써 형성된다. 여기서, 자성 수지층(4a, 4b, 4d) 및 자성층(4c)의 총 두께는 도선(1)의 굵기×2 이하로 할 수 있으므로, 코일 모듈(13)의 두께는 도선(1)의 굵기×2로 할 수 있다.

자성 수지층(4d)은 스파이럴 코일(2)과 자성 수지층(4a) 사이에 형성된다. 자성 수지층(4a)은 유동성, 변형성을 갖고 있기 때문에, 스파이럴 코일(2)을 가압하여 매립할 때, 스파이럴 코일(2)의 도선 간의 접합력이 약한 경우, 도선(1)의 간극에 침입하여 스파이럴 코일(2)을 확장시키는 경우가 있다. 자성 수지층(4d)은, 이 자성 수지층(4a)의, 스파이럴 코일(2)에의 침입을 방지하고, 또한 코일 모듈(20)의 자기 특성을 개선하기 위하여 형성된 것이다.

자성 수지층(4d)은, 연자성 분말을 포함하는 자성 입자와, 결합제로서의 수지를 포함하고 있다. 자성 입자는, 페라이트 등의 산화물 자성체, Fe계, Co계, Ni계, Fe-Ni계, Fe-Co계, Fe-Al계, Fe-Si계, Fe-Si-Al계, Fe-Ni-Si-Al계 등의 결정계, 미결정계 금속 자성체, 또는 Fe-Si-B계, Fe-Si-B-C계, Co-Si-B계, Co-Zr계, Co-Nb계, Co-Ta계 등의 비정질 금속 자성체의 입자이다. 또한 자성 수지층(4d)에는 상기 자성 입자 외에, 열전도성이나 입자 충전성 등을 향상시키기 위하여 필러를 포함하도록 할 수도 있다.

자성 수지층(4d)은, 코일 모듈(13)의 자기적 성능을 높이는 것과, 유동성, 변형성이 높은 자성 수지층(4a)의, 스파이럴 코일(2)의 도선 간의 간극에의 침입을 방지하는 것이 목적이므로, 자성 수지층(4a)보다도 미경화 시의 유동성, 변형성이 작아지도록 자성체와 결합제를 선택한다. 또한 층의 강도를 보다 높이기 위하여 가는 막대 형상, 판상의 필러를 혼합할 수도 있다.

이와 같이 본 실시 형태의 코일 모듈에서는, 코일과 자성재만에 의하여 구성되므로 코일 모듈을 소형화하고 박형화할 수 있다. 또한 코일의 많은 부분이, 열전도성을 갖는 자성 수지층에 접하고 있으므로, 코일에서 발생한 열을 효과적으로 방산할 수 있다. 또한, 자기 포화에 강한 자성 수지층을 갖고 있으므로, 강한 자장이 인가되어 있는 환경 하에서도 코일 인덕턴스의 변화가 적어, 안정된 전력 공급이 가능하다. 또한, 자성 수지층과 자성층의 두께를 조정함으로써, 코일 인덕턴스의 크기와, 강한 자장 환경 하에서의 코일 인덕턴스의 변화율의 균형을 조정할 수 있다.

또한 상술한 코일 모듈에서는, 1개의 스파이럴 코일(2)을 갖는 것으로서 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코일 모듈의 내경측 또는 외형측에 다른 안테나 모듈을 구비하도록 구성할 수도 있다. 또한 상술한 코일 모듈은 비접촉 전력 전송용 안테나 유닛에 적용 가능하며, 다양한 전자 기기에 탑재할 수 있다.

1: 도선
2: 스파이럴 코일
3a, 3b: 인출부
4: 자기 실드층
4a, 4b, 4d: 자성 수지층
4c: 자성층
11, 12, 13, 50: 코일 모듈
21: 절결부
30: 수전 코일 유닛
31: 전지 팩
40: 송신 코일 유닛
41: 접착제층

Claims

자성 재료를 포함하는 자기 실드층과,
스파이럴 코일을 구비하고,
상기 자기 실드층은, 자성 입자를 함유하는 복수의 자성 수지층을 가지며,
상기 스파이럴 코일은, 적어도 일부가 상기 자성 수지층의 일부에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
자성 재료를 포함하는 자기 실드층과,
스파이럴 코일을 구비하고,
상기 자기 실드층은, 자성 입자를 함유하는 복수의 자성 수지층과 자성층을 가지며,
상기 스파이럴 코일은, 적어도 일부가 상기 자성 수지층의 일부에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 자성 수지층 중, 스파이럴 코일과 접하는 자성 수지층이, 다른 자성 수지층보다도 미경화 시의 강도가 높은 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 자성 수지층 중 적어도 1개가, 금속 자성 분말과 수지 및 윤활제 등을 혼합하여 압축 성형한 압분 자심인 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스파이럴 코일은, 상기 스파이럴 코일의 내경부가 상기 자성 수지층의 일부로 충전되도록 매설되는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스파이럴 코일은, 그의 전체가 상기 자성 수지층의 일부에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기 실드층을 형성하는 복수의 자성 수지층 중 적어도 1개의 자성 수지층이, 구상 또는 치수비(긴 직경/짧은 직경) 6 이하의 회전 타원체의 자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기 실드층은, 상기 스파이럴 코일의 당해 코일 모듈의 두께 방향으로 돌출되는 단자를 수용하는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스파이럴 코일이, 유전체 기판의 편면 또는 양면에 도전층을 패터닝에 의하여 형성한 FPC(Flexible printed circuit) 코일인 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일 모듈의 내경측 또는 외형측에 다른 안테나 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 코일 모듈.
제1항 또는 제2항에 기재된 코일 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송용 안테나 유닛.
제1항 또는 제2항에 기재된 코일 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.