JP5660310B2

JP5660310B2 - 非接触給電用２次側コイルユニット及び非接触給電装置

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Publication number: JP5660310B2
Application number: JP2011006107A
Authority: JP
Inventors: 一也板垣; 櫻井　康弘; 康弘櫻井; 正志西村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012147638A

Description

本発明は、携帯電子機器等に給電を行う非接触給電用２次側コイルユニット及び非接触給電装置に関する。

近年、携帯通信端末やデジタルカメラ等の携帯電子機器への給電装置として、１次（給電）コイルと２次（受電）コイルの間の電磁誘導を利用した非接触給電装置が提案されている。

携帯電子機器等に適用される非接触給電装置は、電力伝送時の効率に加えて、小型であること、特に薄型であることを要求される。薄型の非接触給電装置に関する従来技術としては、１次及び２次コイルとして平面渦巻き型コイルを使用するものが知られている。また、コイルから発生する磁界による不要輻射を抑制するためにコイルの外側に磁性シートを配し、さらに電界による不要輻射を抑制するために磁性シートの外側に金属シートを配する技術が提案されている。

特開２００６−４２５１９号公報

しかし、近年の非接触給電装置においては、コイルとシートを組み合わせた２次側ユニットのさらなる薄型化及び電力伝送効率の向上が求められており、従来技術に係る磁性シート及び金属シートを配した２次側ユニットでは、その要求に充分に応えられないという問題が発生している。特に、１次側ユニットが位置合わせ用等のマグネットを搭載している場合、２次側ユニットが１次側のマグネットの磁界による影響を受けるため、従来技術では、上述の要求に応えることが困難であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、薄型で伝送効率の良い給電を実現できる非接触給電用２次側コイルユニット及び非接触給電装置を提供することである。

本発明に係る非接触給電用２次側コイルユニットは、
１次コイルに対向する対向面と当該対向面の反対面である背面とを有する平板状の２次コイルと、２次コイルの前記背面を覆うように配置される磁性シートと、を有し、
前記磁性シートは、前記２次コイルに近接する第１磁性層と、前記２次コイルとの間に前記第１磁性層を挟んで配置され、前記第１磁性層より飽和磁束密度の大きい第２磁性層と、を有する。

本発明に係る非接触給電用２次側コイルユニットは、第１磁性層と第２磁性層を有する磁性シートを採用することによって、非接触給電用２次側コイルユニット全体として薄型でありながら、高いインダクタンスを有し、効率の高い給電を実現する。

非接触給電における交流周波数を考慮すると、高周波特性の良いフェライト等が、磁性シートとして好適であるとも考えられるが、フェライト等は比較的飽和磁束密度が小さく、薄くすると磁気飽和しやすいという問題を有する。また、一般的な傾向として、軟磁性材料における高周波特性の良さと飽和磁束密度の高さは、トレードオフの関係にある。そのため、本発明に係る磁性シートは、２次コイルに近接する側に配置され、飽和磁束密度の小さい第１磁性層に高周波特性を受け持たせるとともに、その第１磁性層を挟んで配置され、第１磁性層より飽和磁束密度の大きい第２磁性層に、薄型でありながら磁気飽和を回避する役割を持たせる。第１磁性層は、１次コイル及び２次コイルに近接して配置されるため、磁気飽和しない範囲で磁束を伝達して２次コイルのインダクタンスを高めるが、飽和磁束密度が小さい上に薄いため、磁気飽和してしまう場合がある。しかし、本発明に係る磁性シートは、第１磁性層の外側に配置された第２磁性層を有するため、たとえ第１磁性層が磁気飽和しても、残りの磁束を第２磁性層が伝達し、２次コイルのインダクタンスを高めることができる。すなわち、第２磁性層は、飽和磁束密度が大きいため、薄くても磁気飽和し難く、漏れ磁束の発生を効果的に抑制できる。このように、本発明に係る２次側コイルユニットは、第１磁性層単独の場合と比較して、磁性シート全体の厚さを減少させることができる。

また、例えば、本発明に係る非接触給電用２次側コイルユニットにおいて、前記第１磁性層は、磁性粉及び当該磁性粉を連結する樹脂によって構成される樹脂磁性粉混合層であるか、又はフェライトによって構成されるフェライト層であっても良く、
前記第２磁性層は、非酸化磁性金属によって構成される磁性金属層であっても良い。

フェライト等は飽和磁束密度が小さい傾向にあるが、％導電率が小さく渦電流の発生によるエネルギーロスが小さい傾向にあるので、第１磁性層として２次コイルに近接して配置し、なるべく多くの磁束を伝達させることによって、２次コイルのインダクタンスを高めることができる。これに対して、金属系磁性材等からなり飽和磁束密度が大きい傾向にある第２磁性層は、％導電率が大きく渦電流の発生によるエネルギーロスが大きい傾向にある。しかし、第２磁性層は第１磁性層の外側に配置されているため、第２磁性層を介して伝達される磁束が抑制され、これに伴う渦電流の発生が抑制される。したがって、このような磁性シートを有する２次側コイルユニットは、第２磁性層単独の場合と比較して、第２磁性層における渦電流の発生に伴う２次コイルのインダクタンスの低下を抑制することができる。

このように、第１磁性層を樹脂磁性粉混合層又はフェライト層とし、第２磁性層を磁性金属層とすることによって、薄型でありながら、高いインダクタンスを有し、効率の高い給電を実現する２次側コイルユニットを、容易に作製することができる。

また、本発明に係る非接触給電用２次側コイルユニットにおいて、前記第１磁性層は、前記第２磁性層より％導電率が小さいことが好ましい。第１及び第２コアに近接して配置される第１磁性層の％導電率を小さくすることによって、上述のように、本発明に係る２次側コイルユニットは、渦電流の発生によるエネルギーロスを抑制し、効率の高い給電を行うことが可能である。

また、例えば、前記磁性シートは、前記２次コイルとの間に前記第１磁性層及び前記第２磁性層を挟んで配置され、前記第１磁性層と同様の材料によって構成される第３磁性層をさらに有しても良い。

本発明の磁性シートは、第１磁性層と第２磁性層の２層構造であっても良いが、第２磁性層の外側に、第１磁性層と同様の材料によって構成される第３磁性層をさらに有し、３層以上の構造を有していても良い。すなわち、飽和磁束密度の異なる２以上の層を組み合わせて磁性シートを構成する場合、飽和磁束密度の小さい層を２つに分割し、飽和磁束密度の大きい層（第２磁性層）の両側に配置してもよい。磁性シートをこのような３層構造としても、２層構造のまま第１磁性層の厚さを増加させた場合と同様に、２次コイルのインダクタンスを増加させる効果を奏する。

本発明に係る非接触給電装置は、上述したいずれかの非接触給電用２次側コイルユニットと、
前記１次コイルと、当該１次コイルの中心部に配置されるマグネットと、を有する非接触給電用１次側コイルユニットと、を有する。

１次側コイルユニットのマグネットは、１次側コイルユニットと２次側コイルユニットとの位置合わせ等の効果を奏するが、マグネットの磁束により磁性シートが磁気飽和し易くなる問題がある。しかし、上述のように、２次側コイルユニットは、第１磁性層と第２磁性層を備える磁性シートを有するため、本発明に係る非接触給電装置は、２次側コイルユニットを薄型化しつつ効率の高い給電を達成できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る非接触給電装置の分解斜視図である。図２は、図１に示す非接触給電装置の断面図である。図３は、本発明の第２実施形態に係る２次側コイルユニットの断面図である。図４は、実施例に係る２次側コイルユニットの断面図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施例のインダクタンス測定状態における２次側コイルユニットの配置状態を表す断面図である。図６は、サンプル０１〜サンプル０３のインダクタンス測定結果を表すグラフである。図７は、サンプル０３〜サンプル０５のインダクタンス測定結果を表すグラフである。図８は、サンプル０２及びサンプル０４〜サンプル０９のインダクタンス測定結果を表すグラフである。図９は、サンプル０５、サンプル１０及びサンプル１１のインダクタンス測定結果を表すグラフである。図１０は、サンプル０４及びサンプル１２〜サンプル１８のインダクタンス測定結果を表すグラフである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置１０の分解斜視図である。図１に示すように非接触給電装置１０は、給電を行う１次側コイルユニット２０と、受電を行う２次側コイルユニット３０を有する。

１次側コイルユニット２０は、１次コイル２２と、マグネット２６と、磁性体部２８とを有する。１次コイル２２は、平板状の渦巻き型コイルであり、１次コイル２２の中央には、１次コイル孔部２４が形成されている。１次コイル孔部２４には、マグネット２６が配置され、１次コイル２２はマグネット２６の外周を周回するように形成されている。

１次コイル２２は、給電を行う際に２次コイル３２に対向する１次コイル対向面２２ａと、１次コイル対向面２２ａの反対面である１次コイル背面２２ｂとを有する。１次コイル背面２２ｂには、１次コイル背面２２ｂを覆うように、磁性体部２８が配置される。

２次側コイルユニット３０は、２次コイル３２と、磁性シート３８とを有する。２次コイル３２としては、１次コイル２２と同様に、平板状の渦巻き型コイル等を採用することができるが、特に限定されない。

２次コイル３２は、１次コイル２２から給電される（受電する）際に１次コイル２２に対向する２次コイル対向面３２ａと、２次コイル対向面３２ａの反対面である２次コイル背面３２ｂとを有する。２次コイル背面３２ｂには、２次コイル背面３２ｂを覆うように、磁性シート３８が配置される。

図２は、図１に示す１次側及び２次側コイルユニット２０，３０を組み立て、さらに、非接触給電を行うために、２次側コイルユニット３０を１次側コイルユニット２０に対して位置決めした状態を表す断面図である。例えば、非接触給電装置１０が携帯電話に搭載されるバッテリー１４の充電装置として使用される場合、１次側コイルユニット２０は携帯電話の充電器に組み込まれ、２次側コイルユニット３０は携帯電話に組み込まれる。また、例えば、２次側コイルユニット３０の背面には、金属ケース（アルミ等）に収納されたバッテリー１４が配置される。なお、１次側及び２次側コイルユニット２０，３０は、それぞれ不図示の樹脂ケース等に収納されることによって組み立てられるが、１次側及び２次側コイルユニット２０，３０の組み立て方法は特に限定されない。

１次コイル孔部２４に配置されるマグネット２６は、２次側コイルユニット３０を１次側コイルユニット２０に対して位置決めする際に、２次側コイルユニット３０の中央部を引き寄せ、位置決めを補助する役割を有する。２次側コイルユニット３０の中央部に形成されている２次コイル孔部には、マグネット２６による２次側コイルユニット３０の引き寄せ力を強めるために、磁性材料によって構成される吸着材３６が配置されても良いが、特に限定されない。

図１及び図２に示す１次コイル２２には、給電時において、所定の周波数を有する交流電圧が供給される。１次コイル２２に供給される交流電圧は、充電器に搭載されたＡＣ／ＤＣコンバータや送電装置を介して、家庭用の交流電圧を変換することによって生成される。１次コイル２２に供給される交流電圧の周波数は、特に限定されないが、１００〜２００ｋＨｚ程度とすることができる。

１次側コイルユニット２０に含まれる磁性体部２８は、１次コイル２２からの磁束の漏れを防止すること及び磁気回路（磁路）を形成すること等を目的として配置される。磁性体部２８は軟磁性材料によって構成されるが、２次側コイルユニット３０の磁性シート３８ほど薄型化の要求は強くないため、鉄損を考慮してフェライト焼結体等によって構成されることが好ましい。

２次コイル３２は、受電時（１次コイル２２の給電時）において、１次コイル２２による電磁誘導によって交流電圧を発生する。２次コイル３２によって誘起された交流電圧は、携帯電話に搭載された受電回路等を介して直流電圧に変換され、バッテリー１４の充電等に使用される。

図２に示すように、２次側コイルユニット３０の磁性シート３８は、２次コイル３２に近接する第１磁性層３８ａと、２次コイル３２との間に第１磁性層３８ａを挟んで配置される第２磁性層３８ｂとを有する。第２磁性層３８ｂは、第１磁性層３８ａより飽和磁束密度が大きい。また、第１磁性層３８ａは、第２磁性層３８ｂより％導電率が小さいことが好ましい。

第１磁性層３８ａ及び第２磁性層３８ｂは、磁性材料を含む各種材料によって構成される。例えば、第１磁性層３８ａは、磁性粉及び当該磁性粉を連結する樹脂によって構成される樹脂磁性粉混合層又はフェライト（例えばフェライト焼結体）によって構成されるフェライト層であることが好ましく、第２磁性層３８ｂは、非酸化磁性金属によって構成される磁性金属層であることが好ましい。これにより、飽和磁束密度及び％導電率について、第１磁性層３８ａの方が第２磁性層３８ｂより小さい磁性シート３８を、容易に作製することができる。なお、非酸化磁性金属には、鉄、ニッケル、コバルト及びこれらを含む合金、ケイ素鋼、アモルファス合金等が含まれる。

このような磁性シート３８を有する２次側コイルユニット３０は、単に漏れ磁束を抑制するだけでなく、薄型化を図りつつ渦電流の発生による損失を抑制することができる。すなわち、磁性シートを樹脂磁性粉混合層又はフェライト層である第１磁性層３８ａのみによって作製すると、第１磁性層３８ａは飽和磁束密度が小さいため、磁性シートを薄型化することができない。なぜなら、１次側コイルユニット２０から給電される際に、第１磁性層３８ａが磁気飽和しないために必要となる厚さが、大きくなってしまうからである。特に、１次側コイルユニット２０がマグネット２６を有する場合は、マグネット２６による磁気バイアスの影響を受けるため、第１磁性層３８ａが磁気飽和しないために必要となる厚さが、さらに大きくなってしまう。

一方で、磁性シートを磁性金属層である第２磁性層３８ｂのみによって作製すると、磁性金属層は％導電率が大きいため、渦電流の発生によるエネルギーロスが大きくなり、伝送効率が低下してしまう。しかし、本実施形態に係る磁性シート３８は、第１磁性層３８ａの外側に第２磁性層３８ｂを配することによって、これらの課題を克服している。

すなわち、磁性シート３８は、第１磁性層３８ａだけでなく、飽和磁束密度の大きい第２磁性層３８ｂを有するため、磁性シート３８を磁気飽和させないために必要とされる厚さが抑制される。これにより、本実施形態に係る２次側コイルユニット３０は、薄型化しつつ、磁気飽和による２次コイル３２のインダクタンスの低下を防止することができる。

さらに、磁性シート３８において、第２磁性層３８ｂは、第１磁性層３８ａより１次コイル２２及び２次コイル３２から離れた位置に配置される。従って、電磁誘導における磁束は、第１磁性層３８ａが磁気飽和しない範囲では、２次コイル３２に近接する第１磁性層３８ａによって優先的に伝達され、第２磁性層３８ｂを介して伝達される磁束が抑制される。これにより、本実施形態に係る２次側コイルユニット３０は、飽和磁束密度が大きいという第２磁性層３８ｂの特徴を活かしつつ、第１磁性層３８ａに高周波特性を受け持たせて渦電流による損失の発生を抑制し、渦電流損失による２次コイル３２のインダクタンスの低下を防止することができる。

なお、磁性シート３８における第１磁性層３８ａと第２磁性層３８ｂの比率は、渦電流の発生による損失が電流値の２乗に比例すること等を考慮しつつ、２次コイル３２がより大きなインダクタンスを得られるように決定されることが好ましい。また、第１磁性層３８ａ及び第２磁性層３８ｂの初透磁率μｉは、発明の効果を得るために特定の範囲に限定されるものではないが、例えば、第１磁性層３８ａの初透磁率μｉは５〜３０，０００、第２磁性層３８ｂの初透磁率μｉは５〜２００，０００程度とすることが適当である。

図３は、本発明の第２実施形態に係る２次側コイルユニット４０の断面図である。２次側コイルユニット４０は、磁性シート４８が異なることを除き、第１実施形態に係る２次側コイルユニット３０と同様である。

２次側コイルユニット４０の磁性シート４８は、第１磁性層４８ａと、第２磁性層４８ｂと、第３磁性層４８ｃとを有する。第１磁性層４８ａ及び第２磁性層４８ｂは、第１実施形態に係る第１磁性層３８ａ及び第２磁性層３８ｂと同様である。

第３磁性層４８ｃは、２次コイル３２との間に第１磁性層４８ａ及び第２磁性層４８ｂを挟んで配置される。第３磁性層４８ｃは、第１磁性層４８ａと同様の材料によって構成されており、第２磁性層４８ｂより飽和磁束密度が小さい。第１磁性層４８ａ及び第３磁性層４８ｃは、磁性粉及び当該磁性粉を連結する樹脂によって構成される樹脂磁性粉混合層又はフェライト（例えばフェライト焼結体）によって構成されるフェライト層であることが好ましく、第２磁性層３８ｂは、非酸化磁性金属によって構成される磁性金属層であることが好ましい。

磁性シート４８のように、飽和磁束密度の小さい層（樹脂磁性粉混合層又はフェライト層）を２つに分割し、飽和磁束密度の大きい層（磁性金属層）の両側に配置してもよい。磁性シート４８を図３に示すような３層構造としても、２層構造のまま第１磁性層３８ａの厚さを増加させた場合（図２参照）と同様に、２次コイル３２のインダクタンスを増加させる効果を奏する。

なお、第１及び第２実施形態において、第１〜第３磁性層３８ａ，３８ｂ，４８ａ〜４８ｃの平面形状（積層方向から見た形状）は、図２及び図３に示すように略同一であっても良いが、これに限定されない。例えば、第２磁性層３８ｂ，４８ｂの平面形状を、第１磁性層３８ａ，４８ａあるいは第３磁性層４８ｃより大きくしても良い。第２磁性層３８ｂ，４８ｂが、第１磁性層３８ａ，４８ａあるいは第３磁性層４８ｃの外周より外側に延出する部分を有することによって、延出した部分が衝撃の緩衝部となり、外部からの衝撃等によって２次側コイルユニット４０が破損することを防止できる。

以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

サンプル０１〜サンプル１１
まず、サンプル０１〜サンプル１１に係る１１種類の２次側コイルユニット５０を準備し、それぞれのサンプルについて、インダクタンスの測定を行った。各サンプルは、図４に示すように、２次コイル５２と、２次コイル５２の背面を覆う磁性シート５８を有する。ただし、サンプル０１に係る２次側コイルユニットは、２次コイル５２のみを有する。

各サンプル０１〜サンプル１１では、同様の２次コイル５２を用いた。２次コイル５２は、外周形状が４０×３０ｍｍの矩形平板状の渦巻き型コイルとした。２次コイル５２の中央部には２５×１５ｍｍの２次コイル孔部が形成されている。２次コイル３２の有効巻き数は３１とした。

図４に示す磁性シート５８は、サンプル毎に異なる物を用いた。実施例では、磁性シート５８の各層を、２次コイル５２に近接する側から外側に向かって順に、磁性層Ａ５８ａ、磁性層Ｂ５８ｂ、磁性層Ｃ５８ｃとして説明する。磁性シート５８の平面形状は、４８×３２ｍｍとした。サンプル０１〜サンプル１１に係る磁性シート５８のデータを、インダクタンス測定結果とともに、表１に示す。

サンプル０２〜サンプル０５で用いた磁性シート５８は、表１に示すように、磁性層Ａ５８ａのみを有し、１層構造である。サンプル０２の磁性層Ａ５８ａは、非酸化金属によって構成される磁性金属層であり、厚さは０．３ｍｍである。サンプル０３〜サンプル０５の磁性層Ａ５８ａは、フェライト焼結体によって構成されるフェライト層であり、厚さはそれぞれ０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍである。

サンプル０６〜サンプル０９で用いた磁性シート５８は、表１に示すように、磁性層Ａ５８ａと磁性層Ｂ５８ｂを有する２層構造である。サンプル０６及びサンプル０７の磁性層Ａ５８ａは、フェライト焼結体によって構成されるフェライト層であり、厚さはそれぞれ０．１ｍｍ、０．２ｍｍである。サンプル０６及びサンプル０７の磁性層Ｂ５８ｂは、非酸化金属によって構成される磁性金属層であり、厚さは０．３ｍｍである。サンプル０８及びサンプル０９の磁性シート５８は、サンプル０６及びサンプル０７の磁性シート５８に対して、磁性層Ａ５８ａと磁性層Ｂ５８ｂとを、入れ替えた構成とした。

サンプル１０及びサンプル１１で用いた磁性シート５８は、表１に示すように、磁性層Ａ５８ａと磁性層Ｂ５８ｂと磁性層Ｃ５８ｃを有する３層構造である。サンプル１０、サンプル１１の磁性層Ａ５８ａ及び磁性層Ｂ５８ｂは、サンプル０６、サンプル０７の磁性層Ａ５８ａ及び磁性層Ｂ５８ｂと同様である。したがって、サンプル１０、サンプル１１で用いた磁性シート５８は、サンプル０６、サンプル０７の磁性シート５８に、磁性層Ｃ５８ｃを追加したものである。サンプル１０、サンプル１１の磁性層Ｃ５８ｃは、フェライト焼結体によって構成されるフェライト層であり、厚さは０．１ｍｍである。

なお、サンプル０２、サンプル０８及びサンプル０９の磁性層Ａ、並びにサンプル０６、サンプル０７、サンプル１０及びサンプル１１の磁性層Ｂを構成する非酸化磁性金属としては、初透磁率μｉ＝８００、飽和磁束密度Ｂｓ＝１．３Ｔ、％導電率が約１７％のものを用いた。また、サンプル０３〜サンプル０７、サンプル１０及びサンプル１１の磁性層Ａ、サンプル０８及びサンプル０９の磁性層Ｂ、並びにサンプル１０及びサンプル１１の磁性層Ｃを構成するフェライト焼結体としては、初透磁率μｉ＝２００、飽和磁束密度Ｂｓ＝０．３８Ｔ、％導電率が約１×１０^−１１％のものを用いた。

インダクタンス測定
サンプル０１〜サンプル１１に係る２次側コイルユニット５０について、２次コイル５２のインダクタンスを測定した。インダクタンスの測定は、２次側コイルユニット５０を携帯電話等に実装した際における実装時のインダクタンスＬｓを測定するために、図５ａに示すように、１次側コイルユニット２０及びバッテリー１４を、２次側コイルユニット５０の周辺に配置して行った。

図５（ａ）に示す１次側コイルユニット２０は、第１実施形態に関して図２等で説明したものと同様であり、１次コイル２２の中央にマグネット２６が配置されている。マグネット２６としては、マグネシウム単体によって構成されるものを用い、マグネット２６の表面から２ｍｍ離れた位置の磁束密度Ｂが、１０２ｍＴ（マグネット２６の周辺は空気）のものを用いた。なお、１次側コイルユニット２０は、２次側コイルユニット５０に対して、４ｍｍの間隔を空けて配置した。

図５（ｂ）に示すバッテリー１４としては、その本体がアルミケースに収納されているＬｉ２次電池を使用した。バッテリー１４は、２次側コイルユニット５０の磁性シート５８の外側面（２次コイル５２の接触する面の反対面）に接触するように配置した。

また、各サンプルのインダクタンス測定では、実装時のインダクタンスＬｓの他に、原因解析を目的として、参考ＡのインダクタンスＬｏ及び参考ＢのインダクタンスＬｏ２を測定した。参考ＡのインダクタンスＬｏは、図５（ｂ）に示すように、各サンプルに係る２次側コイルユニット５０単独の状態で測定した２次コイル５２のインダクタンスである。これに対して、参考ＢのインダクタンスＬｏ２は、図５（ｃ）に示すように、各サンプルに係る２次側コイルユニット５０に対して、１次側コイルユニット２０のみを配置した状態で測定した２次コイル５２のインダクタンスである。なお、インダクタンスの測定は、ＬＣＲメータ（製品型番：Ａｇｉｌｅｎｔ４２８４Ａ）を用いて行った。各サンプルについてのインダクタンス測定結果を、表１に示す。

各サンプルの評価
図６に示すグラフは、表１におけるサンプル０１〜サンプル０３に関する参考ＡのインダクタンスＬｏ及び実装時のインダクタンスＬｓを表したものである。サンプル０１では、実装時のインダクタンスＬｓが、ユニット単体におけるインダクタンスである参考ＡのインダクタンスＬｏに対して大きく低下していた。これは、サンプル０１に係る２次側コイルユニット５０が磁性シート５８を有しないために、図５（ａ）に示す実装状態では、バッテリー１４の影響により２次コイル５２を通過しない磁束が増加し、２次コイル５２のインダクタンスが低下したものと考えられる。

サンプル０２では、ユニット単体におけるインダクタンスである参考ＡのインダクタンスＬｏが、磁性シート３８を有しないサンプル０１より低下している。これは、サンプル０２の磁性シート５８が磁性金属層のみによって構成されるため、磁性シート５８における渦電流損失により、２次コイル５２のインダクタンスが低下したものと考えられる。なお、サンプル０２では、実装時のインダクタンスＬｓが、ユニット単体におけるインダクタンスとほぼ同等であり、図５（ａ）に示す実装状態における漏れ磁束は少ないことが分かる。これは、磁性シート５８を構成する磁性金属層の飽和磁束密度が大きいからであると考えられる。また、磁性シート５８を磁性金属層のみによって構成すると、磁性シート５８の厚さを増加させても、インダクタンスを向上させることは難しいと推測される。

サンプル０３では、ユニット単体におけるインダクタンスである参考ＡのインダクタンスＬｏが、磁性シート５８を有しないサンプル０１より大幅に向上している。これは、サンプル０２の磁性シート５８がフェライト層のみによって構成されるためにサンプル０２のような渦電流損失が少なく、しかも磁性シート５８による磁気漏洩防止効果が得られたことが原因であると考えられる。

しかし、サンプル０３では、実装時のインダクタンスＬｓが、ユニット単体におけるインダクタンスである参考ＡのインダクタンスＬｏに対して大きく低下していた。図５（ａ）に示す実装状態のようにマグネット２６やバッテリー１４等が２次側コイルユニット５０の周辺に配置された場合、サンプル０３では、磁性シート５８がユニット単体の時のように磁束を伝達することができなかったものと考えられる。なぜなら、サンプル０３の磁性シート５８は、飽和磁束密度の小さいフェライト層によって構成されており、厚さも０．３ｍｍと薄いために磁気飽和しやすい。したがって、サンプル０３の磁性シート５８は、マグネット２６の磁気により磁気飽和し易くなり、これがバッテリー１４等の周辺部材への漏れ磁束に繋がり、その結果として２次コイル５２のインダクタンスが低下したものと考えられる。

なお、実装時のインダクタンスＬｓが、参考ＡのインダクタンスＬｏに対して大きく低下しているサンプル０１及びサンプル０３は、漏れ磁束によるバッテリー１４等の発熱を引き起こす恐れがあり、問題である。すなわち、サンプル０１及びサンプル０３における漏れ磁束の一部は、バッテリー１４のアルミケース等において、ＩＨ（誘導加熱）の原理により熱に変わると考えられる。したがって、サンプル０１及びサンプル０３で見られるような磁性シート５８の磁気飽和は、周辺部材の発熱防止の観点からも回避されることが望ましい。

図７は、表１におけるサンプル０３〜サンプル０５に関する参考ＡのインダクタンスＬｏ、参考ＢのインダクタンスＬｏ２及び実装時のインダクタンスＬｓを表したものである。サンプル０３〜サンプル０５は、フェライト層のみによって構成される磁性シート５８の厚さを、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍと徐々に増加させたものである。

表１に示すように、サンプル０３とサンプル０４の測定結果は同様の傾向を有しており、参考ＡのインダクタンスＬｏ（ユニット単体）に対して、参考ＢのインダクタンスＬｏ２（１次側コイルユニット２０有）が低下している。これは、１次側コイルユニット２０のマグネット２６の影響により磁性シート５８が磁気飽和傾向となり、磁性シート５８がユニット単体の時ほど交流磁束を集中させることができず、２次コイル５２のインダクタンスが低下したものと考えられる。

また、サンプル０３及びサンプル０４では、実装時のインダクタンスＬｓが、参考ＡのインダクタンスＬｏに対して大きく低下しており、バッテリー１４を配置した影響によるインダクタンスの低下も顕著である。しかし、サンプル０３〜サンプル０５の比較から明らかなように、磁性シート５８がフェライト層のみによって構成されていても、磁性シート５８の厚さを大きくすれば、実装時のインダクタンスＬｓを向上させることが可能である。

すなわち、磁性シート５８の厚さが０．６ｍｍであるサンプル０５は、実装時のインダクタンスＬｓが５０μＨ以上であり、２次コイル５２単体のインダクタンス（サンプル０１の参考ＡのインダクタンスＬｏ）である約４０μＨに対して、大きな向上が認められる。サンプル０５は、磁性シート５８の厚さが厚いためにマグネット２６の磁束の影響を吸収し、サンプル０３等で見られた磁気飽和に伴う漏れ磁束の発生を低減し、２次コイル５２に磁束を集中させることができたため、インダクタンスが向上したものと考えられる。したがって、サンプル０５に係る２次側コイルユニット５０は、携帯電話等に実装した状態でも、効率の良い給電が可能である。このように、磁性シート５８をフェライト層のみによって構成しようとすると、効率の良い給電を行うためには、磁性シート５８の厚さを大きくしなければいけないことが解る。

図８は、サンプル０２及びサンプル０４〜サンプル０９の参考ＡのインダクタンスＬｏ及び実装時のインダクタンスＬｓを表したものである。サンプル０６の磁性シート５８は、表１に示すように、２次コイル５２に近接して配置される磁性層Ａ５８ａを厚さ０．１ｍｍのフェライト層とし、その外側の磁性層Ｂ５８ｂを厚さ０．３ｍｍの磁性金属層としたものである。サンプル０６とサンプル０２とを比較すると、磁性金属層と２次コイル５２の間にフェライト層を挟むことにより、２次コイル５２のインダクタンスが著しく向上することが解る。

さらに、サンプル０６の実装時のインダクタンスＬｓは、磁性シート５８がフェライト層のみで構成されており、厚さＤが同様（０．４ｍｍ）であるサンプル０４の実装時のインダクタンスＬｓより、向上している。また、フェライト層（磁性層Ａ５８ａ）の厚さを０．２ｍｍに増加させ、磁性シート５８の厚さＤを０．５ｍｍとしたサンプル０７では、実装時のインダクタンスＬｓがさらに向上していることが解る。すなわち、サンプル０７は、磁性シート５８がフェライト層のみで構成されており、厚さＤがこれより大きい（０．６ｍｍ）サンプル０５と比較しても、実装時のインダクタンスＬｓが大きい。

このように、磁性シート５８を、２次コイル５２側（磁性層Ａ５８ａ）がフェライト層であって、反対側（磁性層Ｂ５８ｂ）が磁性金属層である２層構造とすることによって、フェライト層単層の場合より磁性シート５８を薄型化し、かつ実装時のインダクタンスＬｓを向上させ得ることが確認された。

図８に示すサンプル０８及びサンプル０９は、サンプル０６及びサンプル０７に対して、フェライト層と磁性金属層の配置を逆転させた磁性シート５８を使用している。すなわち、サンプル０８及びサンプル０９の磁性シート５８は、２次コイル５２側（磁性層Ａ５８ａ）が磁性金属層であって、反対側（磁性層Ｂ５８ｂ）がフェライト層である２層構造である。

サンプル０８及びサンプル０９は、磁性シート５８が磁性金属層のみであるサンプル０２と比較して、ほとんどインダクタンスＬｏ，Ｌｓの変化若しくは向上がみられない。このように、たとえ磁性シート５８を２層構造としても、２次コイル５２側（磁性層Ａ５８ａ）を磁性金属層とし、反対側（磁性層Ｂ５８ｂ）をフェライト層とした場合には、２次コイル５２のインダクタンスを向上させる効果を得られなかった。サンプル０８及びサンプル０９における磁性金属層は、２次コイル５２に近接して配置されており、導電率が大きく、ここで多くの渦電流損失が発生してしまったため、外側にフェライト層を追加しても、磁性金属層における渦電流の発生を抑制する作用を、ほとんど得られなかったのではないかと考えられる。

サンプル０１〜サンプル０９までの結果から、２次コイル５２側（磁性層Ａ５８ａ）がフェライト層であって、反対側（磁性層Ｂ５８ｂ）が磁性金属層である磁性シート５８は、２次側コイルユニット５０の薄型化及び伝送効率の向上に関して、顕著な効果を有することが確認された。そのメカニズムの一因は、飽和磁束密度の小さいフェライト層（磁性層Ａ５８ａ）だけでなく、飽和磁束密度の大きい磁性金属層（磁性層Ｂ５８ｂ）を組み合わせることによって、磁性シート５８が磁気飽和し難くなることであると考えられる。

また、そのメカニズムの他の一因は、飽和磁束密度が大きいという磁性金属層の利点を活かしつつ、磁性金属層における渦電流損失の発生を抑制しうるフェライト層及び磁性金属層の配置であると考えられる。すなわち、サンプル０６及びサンプル０７では、２次コイル５２側にフェライト層が配置されるため、磁束は２次コイル５２に近接するフェライト層（磁性層Ａ５８ａ）によって優先的に伝達され、磁性金属層（磁性層Ｂ５８ｂ）を介して伝達される磁束が抑制される。これにより、サンプル０６及びサンプル０７に係る２次側コイルユニット５０は、渦電流による損失の発生を抑制し、渦電流損失による２次コイル５２のインダクタンスの低下を防止できると考えられる。

図９は、サンプル０５、サンプル１０及びサンプル１１の実装時のインダクタンスＬｓを表したものである。サンプル１０の磁性シート５８は、表１に示すように、中央の磁性層Ｂ５８ｂを磁性金属層とし、磁性金属層に対して２次コイル５２側及び反対側の両側に、フェライト層を配置したものである。サンプル１０で使用した磁性シート５８の厚さＤは、０．５ｍｍである。サンプル１０の実装時のインダクタンスＬｓは、磁性シート５８がフェライト層のみで構成されており、厚さＤがこれより大きい（０．６ｍｍ）サンプル０５とほぼ同等である。

また、２次コイル５２側のフェライト層（磁性層Ａ５８ａ）の厚さを０．２ｍｍに増加させ、磁性シート５８の厚さＤを０．６ｍｍとしたサンプル１１では、実装時のインダクタンスＬｓがさらに向上していることが解る。すなわち、サンプル１１は、磁性シート５８がフェライト層のみで構成されており、厚さＤが同様である（０．６ｍｍ）サンプル０５と比較して、実装時のインダクタンスＬｓが大きい。

このように、磁性シート５８を、２次コイル５２側（磁性層Ａ５８ａ）がフェライト層、中央部（磁性層Ｂ５８ｂ）が磁性金属層、反対側（磁性層Ｃ５８ｃ）がフェライト層である３層構造とすることによっても、２次コイル５２のインダクタンスを向上させ得ることが確認された。

サンプル１２〜サンプル１８
次に、サンプル１２〜サンプル１８に係る７種類の２次側コイルユニット５０を準備し、それぞれのサンプルについて、インダクタンスの測定を行った。サンプル１２〜サンプル１８に係る２次側コイルユニット５０は、磁性金属層として用いた非酸化磁性金属が異なる以外は、サンプル０２及びサンプル０６〜サンプル１１に係る２次側コイルユニット５０と同様である。すなわち、サンプル１２〜サンプル１８に係る磁性シート５８では、磁性金属層を構成する非酸化磁性金属として、初透磁率μｉ＝５００、飽和磁束密度Ｂｓ＝１．４Ｔ、％導電率が４％のものを用いた。

また、サンプル１２〜サンプル１８に係る２次側コイルユニット５０についても、サンプル０１〜サンプル１１と同様に、２次コイル５２の参考ＡのインダクタンスＬｏ、参考ＢのインダクタンスＬｏ２及び実装時のインダクタンスＬｓを測定した。サンプル１２〜サンプル１８に係る磁性シート５８のデータを、インダクタンス測定結果とともに、表２に示す。

各サンプルの評価
図１０に示すグラフは、表２におけるサンプル１２〜サンプル１８に関する実装時のインダクタンスＬｓを、表１におけるサンプル０４に関する実装時のインダクタンスＬｓと伴に表示したものである。磁性金属層として異なる非酸化磁性金属を用いたサンプル１２〜サンプル１８に関しても、上述したサンプル０１〜サンプル１２と同様の結果が得られた。

すなわち、サンプル１３の磁性シート５８は、表２に示すように、２次コイル５２に近接して配置される磁性層Ａ５８ａを厚さ０．１ｍｍのフェライト層とし、その外側の磁性層Ｂ５８ｂを厚さ０．３ｍの磁性金属層としたものである。サンプル１３は、磁性シート５８がフェライト層のみで構成されており厚さＤが同様（０．４ｍｍ）であるサンプル０４と比較しても、磁性シート５８が磁性金属層のみで構成されるサンプル１２と比較しても、実装時のインダクタンスＬｓが向上していた（図１０）。

また、フェライト層（磁性層Ａ５８ａ）の厚さを０．２ｍｍに増加させ、磁性シート５８の厚さＤを０．５ｍｍとしたサンプル１４では、図８に示すサンプル０８と同様に、実装時のインダクタンスＬｓがさらに向上していることが解る。

図１０に示すサンプル１５及びサンプル１６は、サンプル０４及びサンプル１５に対して、フェライト層と磁性金属層の配置を逆転させた磁性シート５８を使用している。サンプル１５及びサンプル１６についても、図８に示すサンプル０８及びサンプル０９と同様に、磁性シート５８が磁性金属層のみであるサンプル１２と比較して、ほとんど実装時のインダクタンスＬｓの変化がみられない。

図１０に示すサンプル１７及びサンプル１８は、表２に示すように、中央の磁性層Ｂ５８ｂを磁性金属層とし、磁性金属層に対して２次コイル５２側及び反対側の両側にフェライト層を配置した磁性シート５８を用いている。サンプル１７及びサンプル１８についても、図９に示すサンプル１０及びサンプル１１と同様に、２次コイル５２のインダクタンスを向上させ得ることが解る。

以上の結果から、磁性金属層を構成する非酸化磁性金属を変更した場合でも、同様のメカニズムにより、磁性シート５８を薄型化し、実装時のインダクタンスＬｓを向上させ得ると認められる。

１０…非接触給電装置
１４…バッテリー
２０…１次側コイルユニット
２２…１次コイル
２２ａ…１次コイル対向面
２２ｂ…１次コイル背面
２４…１次コイル孔部
２６…マグネット
２８…磁性体部
３０，４０，５０…２次側コイルユニット
３２，５２…２次コイル
３２ａ…２次コイル対向面
３２ｂ…２次コイル背面
３６…吸着材
３８…磁性シート
３８ａ，４８ａ…第１磁性層
３８ｂ，４８ｂ…第２磁性層
４８ｃ…第３磁性層
５８ａ…磁性層Ａ
５８ｂ…磁性層Ｂ
５８ｃ…磁性層Ｃ

Claims

１次コイルに対向する対向面と当該対向面の反対面である背面とを有する平板状の２次コイルと、当該２次コイルの前記背面を覆うように配置される磁性シートと、を有し、
前記磁性シートは、前記２次コイルに近接する第１磁性層と、前記２次コイルとの間に前記第１磁性層を挟んで配置され、前記第１磁性層より飽和磁束密度の大きい第２磁性層と、を有し、
前記第１磁性層は、磁性粉及び当該磁性粉を連結する樹脂によって構成される樹脂磁性粉混合層であるか、又はフェライトによって構成されるフェライト層であり、
前記第２磁性層は、非酸化磁性金属によって構成される磁性金属層であることを特徴とする非接触給電用２次側コイルユニット。
１次コイルに対向する対向面と当該対向面の反対面である背面とを有する平板状の２次コイルと、当該２次コイルの前記背面を覆うように配置される磁性シートと、を有し、
前記磁性シートは、前記２次コイルに近接する第１磁性層と、前記２次コイルとの間に前記第１磁性層を挟んで配置され、前記第１磁性層より飽和磁束密度の大きい第２磁性層と、を有し、
前記第１磁性層は、前記第２磁性層より％導電率が小さいことを特徴とする非接触給電用２次側コイルユニット。
前記第１磁性層は、前記第２磁性層より％導電率が小さいことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電用２次側コイルユニット。
前記磁性シートは、前記２次コイルとの間に前記第１磁性層及び前記第２磁性層を挟んで配置され、前記第１磁性層と同様の材料によって構成される第３磁性層をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の非接触給電用２次側コイルユニット。
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の非接触給電用２次側コイルユニットと、
前記１次コイルと、当該１次コイルの中心部に配置されるマグネットと、を有する非接触給電用１次側コイルユニットと、を有する非接触給電装置。