JP2002299138A

JP2002299138A - 非接触充電器用平面磁気素子

Info

Publication number: JP2002299138A
Application number: JP2001102738A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Fukuda; 泰隆福田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2002-10-11

Abstract

(57)【要約】【課題】小型・薄型化を満足しつつ、良好な充電効率
が得られる、非接触充電器用平面磁気素子を提供する。【解決手段】磁性体体積密度が25％以上のフェライト
磁性層の片面に、平面コイルを、その上面を露出させて
埋設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触充電器に搭
載される薄型の平面磁気素子に関し、特にその充電効率
の有利な向上を図ったものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子情報端末の小型化・計量化に
伴い、Liイオン電池のような２次電池で駆動する携帯機
器が多用されている。このような分野では、機器寸法の
面での制約などから、主に接点を用いた充電システムが
用いられている。しかしながら、携帯機器は人体の近く
に常備されることが多く、接点形では信頼性に問題の生
じるおそれがあるため、非接触形の充電システムが要望
されている。

【０００３】非接触充電システムは、シェーバーや電動
ハブラシなどの水廻りの機器には従来から用いられてき
た（例えば、特開平2000−78763 号公報）。一方、携帯
情報機器関連では、カード型非接触充電の例がある（Ka
nai et al：IEEE APEC Record, pp.1157 −1162 (2000)
や金井ら：電気学会マグネティクス研究会 MAG−00−1
50 など）。かかる非接触充電システムにおけるコイル
は、フェライト板やアモルフス薄帯上に銅線を巻き回し
た構造になっている。

【０００４】しかしながら、かかる構造のコイルには、
次に述べるような問題があった。 (1) コイル厚さが１mm程度でかつ寸法が数cm角と大きい
ため、占有体積が大きく、機器の小型・薄型化が阻害さ
れる。 (2) 磁性コア間を渡る磁束がコイルを横切るため、コイ
ルでの渦電流の発生が大きく、損失が大きい。

【０００５】ところで、極薄型のコイルとしては、印刷
法やシート法で形成したフェライト磁性膜を用いた平面
型の磁気素子が知られている（特開平11−26239 号公
報）。この平面磁気素子は、フェライト粉にバインダを
混ぜた磁性ペーストをSi基板上に印刷、焼成することに
よって高抵抗のフェライト磁性膜を形成し、この膜上に
コイルパターンをめっき法などで形成したのち、さらに
その上に磁性膜を形成して磁気素子とするものである。

【０００６】この構造の磁気素子だと、薄型化は勿論、
コイルの損失を効果的に抑制することができるが、コイ
ルの両側に磁性体を配置しているため磁束の外部への取
り出しが十分とはいえず、受送電コイル間の磁束がお互
いのコイルを横切らないため、非接触充電器用としては
十分な能力を発揮できない。従って、本発明が対象とし
ているような非接触充電器用コイルとしては、適用する
ことができなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の現状
に鑑み開発されたもので、非接触充電器の特に受電側に
ついて、その小型・薄型化を満足しつつ、さらに良好な
充電効率が得られる、新規な構造になる非接触充電器用
平面磁気素子を提案することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上記
の目的を達成すべく鋭意研究を重ねたところ、フェライ
ト磁性層の片面に、平面コイルを、その上面を露出させ
て埋設し、さらに好ましくは平面コイルのコイル線の厚
みおよび幅をそれぞれ適正な範囲に調整することによっ
て、所期した目的が有利に達成されることの知見を得
た。本発明は、上記の知見に立脚するものである。

【０００９】すなわち、本発明の要旨構成は次のとおり
である。１．磁性層の片面に、上面を露出させて平面コイルを埋
設した構造になる平面磁気素子であって、該磁性層が磁
性体体積密度：25％以上のフェライト磁性層からなるこ
とを特徴とする非接触充電器用平面磁気素子。

【００１０】上記１の発明では、平面コイルの上面が磁
性層から露出しているので、充電器側の送電コイルと機
器本体側の受電コイルとのギャップを小さくすることが
でき、ひいては受送電コイル間の磁束をお互いのコイル
に十分に横切らせることができるので、充電効率を格段
に向上させることができる。

【００１１】図１に、本発明に従う代表的な平面磁気素
子（コイル形状はスパイラル型）を模式で示す。図１
(a) は平面図、同図(b) はそのＡ−Ａ断面図であり、図
中番号１はフェライト磁性層、２は平面コイル、そして
３が端子である。上記のフェライト磁性層において、磁
性体の体積密度を 25vol％以上としたのは、これ未満で
は、充電器側の送電コイルと機器本体側の受電コイル間
の磁気的結合（次式に示す結合係数ｋで表される）が小
さくなって十分の充電特性が得られないからである。ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁ ×Ｌ₂ ）^1/2 ここで、Ｍ：相互インダクタンスＬ₁ ，Ｌ₂ ：コイル１，２の自己インダクタンス（例え
ば、Ｌ₁が送電側コイルのインダクタンス、Ｌ₂ が受電
側のインダクタンスとなる）なお、本発明を受電コイルとして利用する場合、500kHz
以上、 20MHz以下の周波数で受電する方式の非接触充電
システムに搭載すると特に有利である。

【００１２】また、本発明において、フェライト磁性層
の厚みは５〜500 μm 程度とすることが好ましい。とい
うのは、この厚みが５μm に満たないと結合係数が小さ
く、一方 500μm を超えると磁気素子の厚みが厚くなる
からである。さらに、コイルの厚みは５〜200 μm 程度
とすることが好ましい。というのは、この厚みが５μm
に満たないとコイル直流抵抗が大きくなり、一方 200μ
m を超えるとレジスト露出やコイル線間をフェライトで
埋めることが困難となるからである。

【００１３】２．上記１において、平面コイルのコイル
線の幅および厚みをそれぞれ、次式で示される表皮厚み
δの 0.5倍以上、８倍以下としたことを特徴とする非接
触充電器用平面磁気素子。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝^1/2 ここで、μ：透磁率 σ：電気伝導率（Ｓ） ω：角振動数（＝２πｆ）なお、透磁率および電気伝統率は、平面コイルの透磁率
および電気伝統率である。

【００１４】上記２の発明では、コイル線の厚みおよび
幅をそれぞれ、好適範囲に規定したものである。コイル
線の厚みや幅が表皮厚み以上のコイルに高周波電流を流
すとコイル表面にしか電流が流れず、交流抵抗が大きく
なる。しかしながら、これらの値を表皮厚みに揃える
と、コイル断面積が小さくなり、直流抵抗が大きくなっ
て、その結果損失が大きくなる。これを避けるために、
コイル線の幅を表皮厚み程度に分割したコイルが用いら
れることが多い。しかしながら、この場合、コイル線間
のスペースが大きくなるため、素子の小型化が損なわれ
る。

【００１５】そこで、交流抵抗による損失と直流抵抗に
よる損失の和が最小となる組み合わせについて種々検討
を重ねたところ、図２に示すコイル線の厚みａおよび幅
ｂをそれぞれ、次式で示される表皮厚みδの 0.5倍以
上、８倍以下とすることが有効であることが分かった。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝^1/2 なお、コイル線の厚みおよび幅が表皮厚みδの 0.5倍に
満たないと、コイル直流抵抗が大きくなり、コイルが発
熱する。一方、８倍を超えると、直流抵抗は小さくなる
ものの、表皮効果による交流抵抗が大きくなって、全体
としての損失の増大を招いたり、磁気素子の寸法が大き
くなる。より好適には２倍以上、４倍以下である。

【００１６】ここで、コイル形状につしては、スパイラ
ル型およびミアンダー型のいずれでも良く、また、スパ
イラル型は１つあるいは２つ以上の組み合わせでもい
い。また、本発明の平面磁気素子は、そのまま使用して
も何ら問題ないが、表面を保護するために、図２に示し
たように、コイルの露出している面に、エポキシ樹脂、
ポリイミド樹脂などの樹脂やガラス等の非磁性でかつ電
気的絶縁体からなる保護被膜４を被覆することが有利で
ある。

【００１７】また、本発明におけるフェライトとして
は、絶縁体であるNiZn系フェライト、中でも焼成温度を
低くしたNiCuZn系フェライトが好適である。その組成に
ついては特に限定されることはないが、代表組成を示す
と次のとおりである。なお、この組成は、磁気素子全体
おいて、必ずしも同一組成とする必要はなく、下部フェ
ライト、上部フェライトおよびコイル線間に充填するフ
ェライトなど、場所に応じて適宜組成を変更することが
できる。

【００１８】Fe₂0₃ ：40〜50 mol％ Fe₂0₃ が50 mol％を超えると、Fe²⁺イオンの存在により
電気抵抗値が急激に低下する。電気抵抗の低下は高周波
領域で使用するとき渦電流の発生でフェライトコアでの
損失を急増させてしまう。また、40 mol％未満になると
フェライトの透磁率低下にともなうインダクタンスの劣
化が大きいため、Fe₂0₃ は40〜50 mol％程度とすること
が好ましい。

【００１９】ZnＯ：15〜35mol ％ ZnＯは、インダクタンスとキュリー温度に大きな影響を
与える。キュリー温度は磁気素子の耐熱性を決める重要
なパラメータである。15 mol％未満ではキュリー温度は
高いもののインダクタンスが低下する。一方、35 mol％
を超えるとインダクタンスは高いものの、キュリー温度
が低下する。従って、ZnＯは15〜35 mol％程度とするこ
とが好ましい。

【００２０】CuＯ：20 mol％以下 CuＯは、焼成温度を下げるために加える。しかしなが
ら、20 mol％を超えると焼成温度は低下するがインダク
タンスが劣化するので、CuＯは 20mol％以下程度とする
ことが好ましい。

【００２１】Bi₂0₃ ：10 mol％以下 Bi₂0₃ は、CuＯと同じく、焼成温度を低下する効果があ
る。しかしながら、10mol ％を超えると焼成温度は低下
するものの、インダクタンスが劣化するため、Bi₂0₃ は
10mol％以下程度とすることが好ましい。残部はNiＯで
ある。

【００２２】以上、好適フェライトとして、NiZn系フェ
ライトについて主に説明したが、これ以外のフェライト
であってもNiZn系フェライトと同等の特性を持つもので
あれば、いずれもが使用できるのはいうまでもない。

【００２３】次に、本発明の平面磁気素子の好適製造方
法について説明する。まず初めに、Si基板上にポリイミ
ド樹脂をスピンコートにより塗布したのち、熱硬化させ
て、保護被膜とする。この保護被膜の好適厚みは10μm
程度である。ついで、この上に、この上にコイル形成の
下地層として無電解めっきによりCu膜を 0.5μm 厚程度
に成膜する。ついで、この下地めっき層の上にフォトレ
ジストを塗布したのち、フォトエッチングにより所望の
コイル形状のレジストフレームを形成する。引き続き、
電気めっきにより、レジストフレーム内にCuを析出させ
たのち、レジストを剥離し、ついで化学エッチングによ
りコイル線間の下地めっき層を除去して、平面コイルを
保護被膜上に形成する。この時、コイル端子も併せて形
成することが好ましい。

【００２４】その後、コイル線間を含めて平面コイルの
上に、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの樹脂とフェ
ライト粉末を混ぜた樹脂ペーストを印刷法にて塗布した
後、熱硬化処理を施して、上部フェライト磁性層を形成
する。この上部フェライト磁性層の形成に際し、樹脂ペ
ーストの硬化処理温度は 150〜400 ℃程度とすることが
好ましい。なお、場合によっては基板を付けたまま、あ
るいは裏面研磨を施してもよく、また基板の種類はSi以
外にもアルミナやセラミックスなどでもよい。

【００２５】

【実施例】実施例１ Si基板上に、ポリイミド樹脂をスピンコートにより塗布
したのち、熱硬化させて、厚み：10μm の保護被膜を形
成した。ついで、下地めっき層として 0.5μm厚のCu膜
を無電解めっき法で成膜した。ついで、この上にフォト
レジストを塗布したのち、フォトエッチングにより所望
のコイル形状のレジストフレームを形成した。その後、
電気めっきにより、レジストフレーム内にCuを析出させ
たのち、レジストを剥離し、ついで化学エッチングでコ
イル線間の下地めっきを除去して、平面コイルとした。
かくして、コイル線の厚みａ：100 μm 、幅ｂ：100 μ
m 、間隔ｃ：30μm でターン数が14のスパイラル型の平
面コイルを作製した。

【００２６】その後、Fe₂O₃ ：49 mol％、ZnO ：23 mol
％、CuO ：12 mol％、NiO ：16 mol％の組成になるフェ
ライト磁粉を、硬化後のフェライト体積が表１に示す割
合になるように調合したエポキシ樹脂ペーストをを、ス
クリーン印刷法にてその上部に塗布し、150 ℃で熱硬化
させて、コイルトップからの膜厚：100 μm のフェライ
ト磁性層を形成した。ついで、基板と保護被膜間を剥が
して約 200μm の薄型受電コイルを作製した。送電コイ
ルは、ドラム型のNiZnフェライトで作製し、これを３MH
z の周波数で駆動したものに、受電側平面磁気素子を0.
5 mmのスペースで接触させて、そのときの結合係数ｋと
発生電圧を測定した。得られた結果を表１に併記する。

【００２７】

【表１】

【００２８】同表から明らかなように、結合係数ｋおよ
び発生電圧の両者が共に大きく、薄型化に寄与するのは
言うまでもなく、非接触充電に適していることが分か
る。

【００２９】実施例２コイル線の厚みａおよび幅ｂを表２に示すように種々に
変化させること以外は、実施例１のNo.2と同じ製造条件
で、保護被膜、平面コイルおよびフェライト磁性層を形
成して薄型受電コイルを製造した。かくして得られた薄
型受電コイルの結合係数ｋと発生電圧について調べた結
果を、表２に併記する。

【００３０】

【表２】

【００３１】同表から明らかなように、本発明に従い、
コイル線の厚みａおよび幅ｂを表皮厚みδの 0.5倍以
上、８倍以下の範囲に調整したものは、結合係数ｋはい
ずれも0.80、また発生電圧はいずれも 4.2Ｖであり、従
来よりも優れた結合係数ｋおよび発生電圧が得られてい
る。

【００３２】

【発明の効果】かくして、本発明によれば、薄型化は勿
論のこと、充電効率に優れた非接触充電器用平面磁気素
子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】コイル形状としてスパイラル型を採用した場
合の、本発明に従う代表的な平面磁気素子の平面図(a)
およびＡ−Ａ断面図(b) である。

【図２】コイル線の断面形状を示した図である。

【符号の説明】

１フェライト磁性層２平面コイル３端子４保護被膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性層の片面に、上面を露出させて平面
コイルを埋設した構造になる平面磁気素子であって、該
磁性層が磁性体体積密度：25％以上のフェライト磁性層
からなることを特徴とする非接触充電器用平面磁気素
子。
【請求項２】請求項１において、平面コイルのコイル
線の幅および厚みをそれぞれ、次式で示される表皮厚み
δの 0.5倍以上、８倍以下としたことを特徴とする非接
触充電器用平面磁気素子。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝^1/2 ここで、μ：透磁率 σ：電気伝導率（Ｓ） ω：角振動数（＝２πｆ）