JP2011134959A - 磁性シート - Google Patents

Abstract

【課題】
非接触充電装置において、受電コイルと二次電池の間に配置された磁性シートにおいて、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の微細構造を検討し、伝送効率の向上と渦電流損失低下を同時に達成可能で、かつ、金属粉末の飛散や汚染も発生しない磁性シートを提供することを目的とする。
【解決手段】
Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている磁性シートであって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックが形成されていることを特徴とする磁性シート。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｆｅ基ナノ結晶磁性合金薄帯を用いた磁性シートに関し、特に非接触充電装置の受電部品において受電コイルの磁気回路を形成し、磁気ヨーク及び磁気シールドとして機能する磁性シートに関するものである。

近年、携帯電話等の小型情報通信機器の高性能化、高機能化が進められている。これら小型情報通信機器では電源としてリチウムイオン電池などの二次電池が使用されている。
前記二次電池の充電方法には接触充電方式と非接触充電方式とがある。接触充電方式は、受電装置の電極と給電装置の電極とを直接接触させて充電を行う方式で、装置構成が単純であるため従来から一般的な方式として採用されている。

他方、非接触充電方式の方式の一つとして受電装置と給電装置の両方にコイルを設け、電磁誘導を利用して電力伝送し、充電する方式がある。非接触充電方式は電極同士の接触圧を考慮する必要がないため、電極同士の接触状態に左右されずに安定して充電電力を供給することができる。
また、電極が露出していないため腐食が起こらないという点で優れている。更に、接触型充電方式では機器毎に異なる形状の接続プラグと充電器が使用されるが、電極を必要としない非接触型充電方式は充電器を共用化することができる可能性がある。
従来、非接触充電装置のコイルとしては、フェライトコアの周りにコイルを巻回した構造が知られている（特許文献１、２）。

前記非接触充電方式において、給電側のコイルから、受電側のコイルに、電磁誘導により伝送されるが、給電側コイルに発生した磁束を、受電側コイルにより捕捉することにより行われる。従って、効率良く電力を伝送するために、対向する給電側コイルと受電側コイルはなるべく近接させて、コイルの中心軸を一致させる必要がある。また、電力伝送効率を高めるために、１０〜２００ｋＨｚ程度の周波数での共振回路が適用されている。
それぞれ対向するコイルの反対側には磁気回路を形成するために磁気ヨークとして磁性シートや軟磁性材料が設置される。そして、この磁性シートや軟磁性材料は、漏れ磁束が他の部品や二次電池を構成する金属に及んで渦電流発生による発熱防止の磁気シールドとしての機能も期待されている。通常、受電側となる小型情報通信機器における非接触充電では、二次電池であるリチウムイオン電池と受電側のコイルは近傍に配置される。
給電側の磁気ヨークは小型化や他の電子部品や基板との配置の制約をあまり受けないため従来からの軟磁性材料であるフェライトが使用されることが多い。他方、受電側は薄肉かつ軽量であることの要求が強く、アモルファス合金薄帯やＦｅ基ナノ結晶合金薄帯からなる磁性シートが採用されつつある（特許文献３、４）。

特許文献１には、給電側コイルは、フェライトコアに巻いた例が記載されている。また、受電側には磁気シールド板としてフェライトと樹脂の複合体が記載されている。
特許文献２には、受電側コイルと回路基板の間にフェライトコアが配置されている実施例が記載されている。
特許文献３には、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯にスリットを形成し、渦電流損失を改善した磁性シートが記載されている。
特許文献４には、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯を分割し、渦電流損失を改善した磁性シートが記載されている。

特開平８−７９９７６号公報 特開平１１−１７６６７７号公報 ＷＯ２００７／０８０８２０号公報 特開２００８−１１２８３０号公報

Ｆｅ基ナノ結晶磁性合金薄帯は、アモルファス合金薄帯に比べて、透磁率が高く、受電側の磁性シートとしては最適と考えられる。しかしながら、さらに給電効率の向上が求められている。そこで、発明者は薄帯の構造に注目することにした。
発明者は、特許文献４に記載の方法を再現してみた。磁性シートとして５５０℃で熱処理を行ったＦｅ基ナノ結晶磁性合金薄帯を用いて、粘着剤付きのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す。）フィルム上に前記Ｆｅ基ナノ結晶磁性合金薄帯を接着させた後、折り曲げることにより分割し、分割前後での伝送効率を測定した（比較例１、２）。
伝送効率は、図５に示す評価装置によって行った。ここで、伝送効率とは給電コイル１０への投入電力に対する、受電コイル６からの出力電力の比（％）である。
給電コイル１０は、フェライトコア１１の中心軸周囲にコイルを巻回して構成されており、１００ｋＨｚの周波数で通電した。受電コイル６は、導線をスパイラル状に巻回した平面コイルで構成されている。前記受電コイル６の片面は、前記フェライトコア１１及び給電コイル１０と、中心軸を同一にして対面している。前記受電コイル６のもう一つの片面の全面を覆うように磁性シート１の片面が対面している。更に、磁性シート１のもう一つの片面には、リチウムイオン電池を模したアルミ板１２が対面している。

先ず、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯用アモルファス合金薄帯として組成Ｆｅ_７３．５Ｃｕ_１Ｎｂ_３Ｓｉ_１４．５Ｂ_６．５（原子％）の幅５０ｍｍ、厚さ１８μｍ、長さ１００ｍを用いて、温度５５０℃、窒素雰囲気で１時間熱処理することでＦｅ基ナノ結晶合金薄帯を得た。前記、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯を、片側表面に厚さ２０μｍの粘着層が予め形成された、サイズが５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ３０μｍのＰＥＴフィルム上に貼り付けたものを磁性シートとして用いて前記評価装置で測定した。その結果、６０％であった（比較例１）。
次に、特許文献４の段落（００４６）（実施例２）に記載されている方法に準じて、縦、横それぞれ、４ｍｍピッチで折り曲げて分割して磁性シートを作製し、測定した結果５９％と前記折り曲げ、分割していない磁性シートに比べて１％低い結果が得られた（比較例２）。
この原因として、特許文献３の段落（００４６）に「スリット数（分割数）を多くすると磁気抵抗が大きくなるために受電効率は低下する。このため、渦電流の抑制効果と受電効率の両方を考慮してスリット１７を設けることが好ましい。」と記載されているように、渦電流の抑制効果と給電効率がトレードオフの関係にあるためと述べられている。
つまり、分割により磁気抵抗が大きくなり、渦電流損失は低下するが、透磁率も低下し、給電コイル１０と受電コイル６の結合が弱くなるため、結果的に伝送効率が低下してしまうという問題があった。
更には、前記特許文献４に記載の分割の工程では、合金薄帯を折り曲げ破断する際、金属破片粉末が周辺に飛散する問題があった。また、分割後の磁性シートを前記評価装置に設置させる際、分割時に粘着層との接着力が不十分な金属破片粉末が飛散し続けるという問題があった。

そこで、発明者は、前記問題点を鑑み、非接触充電装置において、受電コイルと二次電池の間に配置された磁性シートにおいて、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の微細構造を検討し、伝送効率の向上と渦電流損失低下を同時に達成可能で、かつ、金属粉末の飛散や汚染も発生しない磁性シートを提供することを目的とする。

発明者は、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の微細構造を検討し、薄帯内部に微細クラックを有する構造とすることで、渦電流損失を小さくする共に、透磁率の低下を極力抑えることにより、伝送効率を向上可能な磁性シートを見出したものである。

つまり、本発明は、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている磁性シートであって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックが形成されていることを特徴とする磁性シートである。
また、本発明は、前記有機フィルムは、ＰＥＴフィルム、ポリプロピレン（以下、ＰＰと記す。）フィルム、ポリエチレン（以下、ＰＥと記す。）フィルム、ポリイミドフィルムのいずれかであることを特徴とする磁性シートである。
また、本発明は、前記磁性シートが、スパイラルコイルを有する受電コイルと、前記受電コイルに発生した交流電圧を整流した後、直流電圧が充電される二次電池との間に配置されたことを特徴とする非接触充電装置である。

本発明によれば、微細クラックを有するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯による磁性シートを受電コイルと二次電池の間に配置することで、微細クラックを形成していないＦｅ基ナノ結晶合金薄帯や、特許文献３、４に記載のスリットを入れたり、分割したＦｅ基ナノ結晶合金薄帯による磁性シートに比べて、より高い伝送効率を得ることができるようになる。
更に、微細クラック形成によれば、前記スリットを入れたり、分割したＦｅ基ナノ結晶合金薄帯に比べて、明らかな分割部分が存在しないため、漏洩する磁束がより少なくなり、磁性シートからの漏洩磁束が著しく少なくなる。

また、本発明によれば、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯はＰＥＴフィルムなどの有機フィルムに粘着層を介して挟まれているため、この状態で、折り曲げにより微細クラックを形成するため、金属粉末の飛散は発生せず、作業環境を悪化することも無く、飛散した金属粉が再度磁性シートに付着する汚染の問題も発生しない。

更に、本発明によれば、折り曲げによる微細クラックの形成は、前記有機フィルムを、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックが安定に発生する程度に曲げれば良いので、折り曲げ治具などにより、連続かつ短時間で処理することができ、生産性が高い。

本発明者は、磁性シートを構成するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックを形成することにより、渦電流損失を小さくすると共に、透磁率の低下を極力抑えられ、結果的に、伝送効率を向上できるという顕著な効果を見出し、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細構造について検討したものである。

Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の組成は、一般式：（Ｆｅ_１−ａＭ_ａ）_{１００−ｘ−ｙ−ｚ−α}Ａ_ｘＳｉ_ｙＢ_ｚＭ’_α（原子％）で表され、式中ＭはＣｏ，Ｎｉから選ばれた少なくとも１種の元素、ＡはＣｕ，Ａｕから選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ’はＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，ＶおよびＭｏから選ばれた少なくとも１種の元素を示し、ａ，ｘ，ｙ，ｚ，およびαはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦ｘ≦３、０≦ｙ≦３０、０≦ｚ≦２５、５≦ｙ＋ｚ≦３０、０．１≦α≦３０である。前記合金組成の溶湯を単ロール法などにより急冷凝固させることによりアモルファス合金薄帯を得られる。前記アモルファス合金薄帯を、５００℃以上の熱処理を行うことにより平均結晶粒径１００ｎｍ以下の微結晶組織が形成され、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯が得られる。

Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の厚さは、急冷凝固時の条件によって決定されるが、厚さ１０μｍ未満では薄帯の機械的強度が低下するためハンドリングできない、また厚さ３０μｍを超えると急冷凝固時にアモルファス組織を得ることが困難となる。従って、好ましくは、１０μｍ以上３０μｍ以下である。更に、ハンドリングに十分な強度を確保して、安定してアモルファス組成を得るには、厚さ１５μｍ以上２５μｍ以下がより好ましい。

Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯を粘着層を介して挟み込む有機フィルムは、耐熱性や材料コストを考慮して、ＰＥＴフィルム、ＰＰフィルム、ＰＥフィルム、ポリイミドフィルムなど選択することができる。磁性シートが使用される温度が１００℃以下であれば耐久性や加工性に優れるＰＥＴフィルムが好ましい。
有機フィルムの厚さは、曲げ加工によって微細クラックを形成する際に、有機フィルムが破断すること無く、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に対して微細クラックを十分形成できる曲率が得られることが要求される。従って、有機フィルムは、曲げ加工の変位に対して十分追従して変形できるのに必要な伸び率を有することが望ましく、少なくとも３％以上あることが望ましい。
粘着層は、アクリル系等の樹脂を使用することができる。粘着層の有機フィルム及びＦｅ基ナノ結晶合金薄帯との密着強度は、微細クラックを形成する曲げ加工時に有機フィルムと粘着層との界面、及び粘着層とＦｅ基ナノ結晶合金薄帯との界面の剥離が生じない強度以上が必要である。
また、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯は水分雰囲気により錆びる恐れがあるので、粘着層に防錆剤を含んでも良い。

（微細クラック形成による伝送効率向上のメカニズム）
発明者は、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックを形成することにより伝送効率が向上するメカニズムについて考察した。
Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に、特許文献３、４に記載されているように、スリットや分割を形成した場合は、分割された個片間は、直流的にも絶縁される。このことが、共振周波数である高周波領域でも渦電流損失を低下させるという作用効果を生じさせていると考えられる。
しかしながら、明らかな分割は、前記渦電流損失を低下させる以上に、透磁率を著しく低下させる。結局、給電側コイルと受電側コイルの結合が疎となってしまい、伝送効率が低下してしまうと推測される。
本願発明の微細クラックが形成されたＦｅ基ナノ結晶合金薄帯では、微細クラックのため、磁性シートの微細クラックを挟んだ２点間の導通は、直流的には維持されている。しかし、電力伝送を行う高周波領域で発生する渦電流の経路に対してはその一部が破断し、絶縁状態または高抵抗の状態となっていて、渦電流の発生が抑制され、渦電流損失が低下していると推測される。他方、透磁率の低下の程度は、給電コイルと受電コイルの結合において、伝送効率の低下に実質的には影響しない範囲にあると推測される。
以上まとめると、透磁率が低下しても、伝送効率の低下には影響せず、高周波領域での渦電流損失の低下により、伝送効率が向上するものと考えられる。

（微細クラックの形状、頻度）
Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に形成する微細クラックの方向、長さ、は、（１）給電コイル形状（巻数、直径）やフェライトコア形状（２）受電コイル形状（巻数、直径）や磁性シート（Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯）の外形形状、（３）給電コイルと受電コイルの相対位置関係、（４）共振周波数、などに依存するので、適宜伝送効率が最大になるように前記を適正化することが必要である。

本発明は、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている磁性シートであって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックが形成されていることを特徴とする磁性シートである。
また、本発明は、前記有機フィルムは、ＰＥＴフィルム、ＰＰフィルム、ＰＥフィルム、ポリイミドフィルムのいずれかであることを特徴とする磁性シートである。
また、本発明は、前記磁性シートが、スパイラルコイルを有する受電コイルと、前記受電コイルに発生した交流電圧を整流した後、直流電圧が充電される二次電池との間に配置されたことを特徴とする非接触充電装置である。
である。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に述べる。
（実施例１）
Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯用アモルファス合金薄帯として組成Ｆｅ_７３．５Ｃｕ_１Ｎｂ_３Ｓｉ_１４．５Ｂ_６．５（原子％）の幅５０ｍｍ、厚さ１８μｍ、長さ１００ｍを用いた。この前記合金薄帯を、空心で内径１００ｍｍになるように巻き取ってドーナツ状にした。前記ドーナツに巻かれた合金薄帯がほぐれないように、径０．６ｍｍのステンレス線で、内径から外径にわたって、円周の４箇所を互いに角度９０°になるように仮固定した。
次に、前記ドーナツ状に巻かれた合金薄帯を熱処理炉に入れて、窒素雰囲気、温度５５０℃、１時間の熱処理を行い、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯を得た。
前記ドーナツ状に巻かれたＦｅ基ナノ結晶合金薄帯から仮固定していたステンレス線を外した。
ここで、予め、片面に厚さ３０μｍの粘着層を備えた、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍ、厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムを２巻準備した。
前記２巻の内、１巻の粘着層側を合金薄帯の外径端部に、外径側から押し当てながら、ＰＥＴフィルムとＦｅ基ナノ結晶合金薄帯が粘着層を介して対面するように、巻き出し、ＰＥＴフィルムとＦｅ基ナノ結晶合金薄帯が粘着層により一体化、張り合わせたシートが得られた。
次に、前記シートの長さ方向に、幅と同寸法になるように切断し、５０ｍｍ角のシートとした。
前記残った１巻についても、同様に幅と同寸法になるように切断し、５０ｍｍ角にした。
片面がＰＥＴ、もう一つの片面がＦｅ基ナノ結晶合金薄帯の５０ｍｍ角のシートに、５０ｍｍ角の片面に粘着層を備えたＰＥＴフィルムの粘着層側を、外形が一致するように、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の面に押し当てて、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている５０ｍｍ角の磁性シートを得た。

前記得られた、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている５０ｍｍ角の磁性シートを、全面を順次、鋭角に折り曲げて図１に示すように全面に微細クラックを形成した。折り曲げ前後で金属粉砕粉の飛散、汚染は認められなかった。図２に磁性シートの断面概略図を示す。微細クラック形成前後のＦｅ基ナノ結晶合金薄帯表面の実体顕微鏡写真とその説明図を図３に示している。金属薄帯の一部が明確に除去された部分は認められなかった。前記磁性シートを用いて、伝送効率を測定した。
図５に示す装置を用いて、測定した結果、６２％であった。

（比較例１）
実施例１に記載している、折り曲げて微細クラックを形成する前の５０ｍｍ角の磁性シートを用いて、測定条件は実施例１と同様に、伝送効率を測定した。
その結果、６０％であった。この値は、実施例１に比べて２％低い。

（比較例２）
実施例１に記載している、ＰＥＴフィルムとＦｅ基ナノ結晶合金薄帯が粘着層により一体化、張り合わせた５０ｍｍ角のシートを、実施例１と同様の位置で折り曲げて分割した。Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の折り曲げ時に、最も曲率が小さくなる部分が飛散し除去された。測定顕微鏡で除去部分を観察、測定した結果、除去部分の幅は約０．５μｍであった。
前記シートの分割したＦｅ基ナノ結晶合金薄帯側に、５０ｍｍ角の片面に粘着層を備えたＰＥＴフィルムの粘着層側を、外形が一致するように、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯面に押し当てて、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている５０ｍｍ角の磁性シートを得た。
実施例１と同様に伝送効率を測定した結果、５９％であった。この値は実施例１に比べて３％低い。

（実施例２）
Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯用アモルファス合金薄帯として組成Ｆｅ_７６Ｃｕ_１Ｎｂ_２．５Ｓｉ_１３．５Ｂ_７（原子％）の幅５０ｍｍ、厚さ１８μｍ、長さ１００ｍを用いて、後の条件は実施例１と同じ条件で磁性シートを作製し、伝送効率を測定した結果、６１％であった。

（比較例３）
実施例２に記載している、折り曲げて微細クラックを形成する前の５０ｍｍ角の磁性シートを用いて、測定条件は実施例２と同様に、伝送効率を測定した。
その結果、５９％であった。この値は、実施例２に比べて２％低い。

（比較例４）
実施例２に記載している、ＰＥＴフィルムとＦｅ基ナノ結晶合金薄帯が粘着層により一体化、張り合わせた５０ｍｍ角のシートを、実施例２と同様の位置で折り曲げて分割した。Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の折り曲げ時に、最も曲率が小さくなる部分が飛散し除去された。測定顕微鏡で除去部分を観察、測定した結果、除去部分の幅は約４００μｍであった。
前記シートの分割したＦｅ基ナノ結晶合金薄帯側に、５０ｍｍ角の片面に粘着層を備えたＰＥＴフィルムの粘着層側を、外形が一致するように、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯面に押し当てて、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている５０ｍｍ角の磁性シートを得た。
実施例２と同様に伝送効率を測定した結果、６０％であった。この値は実施例２に比べて１％低い。

（実施例３、４、５）
実施例１に記載のＰＥＴフィルムに代えて、厚さ１２０μｍのＰＰフィルムを用いた磁性シートを作製した。
また、同様に実施例１に記載のＰＥＴフィルムに代えて、厚さ８０μｍのＰＥフィルムを用いた磁性シートを作製した。
また、同様に実施例１に記載のＰＥＴフィルムに代えて、厚さ１００μｍのポリイミドフィルムを用いた磁性シートを作製した。
前記、３種類の磁性シートを用いて伝送効率を測定した結果、実施例１と同結果である６２％であった。

（実施例６）
図４に示すように、実施例１で作製した磁性シート１を、スパイラルコイルを有する受電コイル６と、直流電圧が充電される二次電池８との間に配置し、非接触充電装置９を構成し、充電装置として機能することを確認した。つまり、インバータ１２により給電コイル１０に高周波が給電され、フェライトコア１１に磁束が発生する。受電コイル６には前記磁束によって、高周波電流が誘起され、前記高周波電流は整流器を有する配線基板７により整流され、二次電池８に充電されることを確認した。また、受電コイル６から二次電池８側への漏れ磁束がある場合、渦電流により二次電池８の発熱が予測されるが、渦電流と思われる発熱は確認できなかった。

本発明の磁性シート表面概略図 本発明の磁性シート断面概略図 本発明の磁性シートの微細クラックの実体顕微鏡写真 本発明の磁性シートの微細クラックの説明図 本発明の非接触充電装置の構成図 本発明における伝送効率測定の説明図

１ 磁性シート
２ Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯
３ 微細クラック
４ 有機フィルム
５ 粘着層
６ 受電コイル
７ 整流配線基板
８ 二次電池
９ 非接触充電装置

Claims (3)

1. Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の両面が、粘着層を介して有機フィルムに挟まれている磁性シートであって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯に微細クラックが形成されていることを特徴とする磁性シート。
2. 請求項１に記載の有機フィルムは、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリイミドフィルムのいずれかであることを特徴とする磁性シート。
3. 請求項１または２に記載の磁性シートが、スパイラルコイルを有する受電コイルと、前記受電コイルに発生した交流電圧を整流した後、直流電圧が充電される二次電池との間に配置されたことを特徴とする非接触充電装置。