(57)【要約】【課題】非接触充電器に搭載される平面磁気素子に関し、特に該平面磁気素子の局所的な発熱を抑え、かつ、大幅な薄型化と充電効率向上を達成する。【解決手段】磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設した構造となる非接触充電器用平面磁気素子であって、同一平面上に複数個の平面コイルを直列に配置してなる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設した構造となる非接触充電器用平面磁気素子であって、
同一平面上に複数個の平面コイルを直列に配置して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】
前記磁性層がフェライト磁粉から構成され、
前記磁性層中のフェライト磁粉の体積密度が２５ｖｏｌ　％以上であることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電器用の平面磁気素子。
【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平面磁気素子に関し、特に該平面磁気素子の局所的な発熱を抑え、かつ、大幅な薄型化と充電効率向上を達成するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報技術の普及に伴い、携帯電話や電子情報端末等の小型化、薄型化、軽量化が急速に進み、Ｌｉイオン電池やニッケル水素電池のような２次電池駆動の電源が多用されるようになってきている。
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、充電用の接点が露出した形では信頼性に問題を生じる恐れがあり、非接触式の充電システムが要望されている。
【０００３】
これまで、非接触充電システムとしては、主にシェーバーや電動歯ブラシなどの水回りの機器に用いられてきたが、最近では、例えば特開平２０００−７８７６３号公報に記載のように携帯電話やＰＨＳ　などの携帯用電子機器にも用いられるようになってきている。
また、特に薄型のものとして、カード型非接触給電装置の例をあげることができる（Ｋａｎａｉ　ｅｔ　ａｌ．：ＩＥＥＥ　ＡＰＥＣ　Ｒｅｃｏｒｄ，ｐｐ．１１５７−１１６２（２０００）、金井ら：電気学会マグネティクス研究会ＭＡＧ−００−１５０等参照）。
【０００４】
このような非接触充電システム（非接触給電装置）における磁気素子としては、従来、　フェライト板やアモルファス薄帯上に銅線を巻き回した構造、あるいは空心コイル構造を採用してきた。
しかしながら、これら従来の磁気素子には、構造上、次に述べるような問題があった。
（１）　コイル厚が１ｍｍ程度でかつ寸法が数ｃｍ角と大きいため、占有面積や体積が大きく、機器の小型化、薄型化を阻害する。
（２）　送電側からの磁束がコイル中を横切るため、受電コイル内で発生する渦電流による損失が大きい。
【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号公報等参照）。この平面型の磁気素子は、まず、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、次に、　この膜上にコイルパターンをめっき法などで形成した後、さらにその上に磁性膜を形成して製作される。そして、薄型化はもちろん、コイル損失を効果的に抑制することに成功している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構造の磁気素子では、コイルの両側に磁性体を配置しているため、外部への磁束の取り出しおよび外部からの磁束の取り込みが充分とはいえず、受送電コイル間の磁束が充分に相互のコイルを横切らない。そのため、非接触充電器用としては充分な能力を発揮することができず、本発明が対象とする非接触充電器用平面磁気素子として適用することができなかった。
【０００７】
本発明は、非接触充電器に搭載される平面磁気素子について、その更なる小型化、薄型化を可能とし、良好な充電効率を実現する非接触充電器用の平面磁気素子を提供するものである。
更に、本発明は、上記の非接触充電器に搭載される平面磁気素子において、局所的な発熱を抑え、一段の効率の向上を実現するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ね、磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設して平面磁気素子を形成するとともに、　さらに、当該平面コイルを複数個に分割形成し、直列接続することで所期の目的が有利に達成されることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、磁性層の片面に、スパイラル型の平面コイルを埋設した構造となる非接触充電器用平面磁気素子であって、同一平面上に複数個の平面コイルを直列に配置してなることを特徴とする非接触充電器用平面磁気素子によって上記課題を解決したのである。
また、本発明は、前記磁性層がフェライト磁粉から構成され、前記磁性層中のフェライト磁粉の体積密度が２５ｖｏｌ　％以上であることを好適とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１、図２に基づき、本発明の非接触充電器用平面磁気素子の好適な実施の形態について説明する。
平面コイルとしては、スパイラル状、ミアンダ状等の形状があるが、スパイラル状とすることがインダクタンスを大きくすることができ、本発明において好適である。
【００１１】
図１の平面磁気素子１は、磁性層２の片面に２つのスパイラル型の平面コイル３を直列に配置したものであり、平面コイル３の巻き線方向が逆向きとなるように配置している。こうすることで、隣り合ったコイル線間の磁気結合をおおきくすることができ、特に好適である。
また、図２に示すように、４つの平面コイル３を磁性層２の片面に配置して平面磁気素子１を構成するようにしてもよい。この場合、図示のように平面コイルの所定の端子間を配線５で接続し、直列接続となす。
【００１２】
このように、平面磁気素子１に形成する平面コイル３を分割して形成・配置し、直列に接続することで、コイルのターン数を分割することができ、コイルに集中して発生する局所的な発熱を分散することが可能となる。
また、１つのコイル内のコイル線を短くすることができ、直流抵抗を低減できる。さらに、平面コイルのコイルに囲まれた中窓の面積を大きくとることが可能となり、相対的にコイル中を横切る磁束を低減することができ、発熱を抑えて、受電効率を向上できる。
【００１３】
一方、比較のため図３に示すように、磁性層２の片面に１つのスパイラル型の平面コイルのみを形成した構成とすると、発熱が１つのコイルに集中することになり、また、平面コイル中のコイル線の長さが長くなって直流抵抗が増してしまう。更に、コイルに囲まれた中窓の面積を大きくとることもできない。
なお、磁性層中のフェライト磁粉としては、ＮｉＺｎフェライトを好適とする。平面コイルのコイル線間にフェライト磁性樹脂を充填し、磁性層を形成するには、フェライト磁粉と樹脂バインダの混合物をスクリーン印刷法で刷り込むなどの方法があり、容易に達成することができる。
【００１４】
本発明の平面磁気素子は、図４に示すように、非磁性の基板７、例えば、Ｓｉ基板、アルミナ基板等に絶縁樹脂層６を介して平面コイル３を形成し、この非磁性の基板７側が送電装置１０側となるように配置することで非接触充電を行うようにする。
また、図５に示すように、フェライト基板８上に平面コイル３を形成し、コイル線間に磁性層２を充填して形成するようにしてもよい。この場合、平面コイル３の表面を絶縁樹脂層６で被膜する。
【００１５】
なお、送電装置１０は、本発明の平面磁気素子と同じ平面コイルを採用しても良く、また、図４、図５に示すように巻線コイルとしても良い。どの方式を採用するかは、送電条件等によって適宜選択することができる。ただし、送電側コイルは、図４、図５に示すように、受電側の平面磁気素子中の平面コイルに対向する配置に一致させる配置とすることを好適とする。
【００１６】
次に、　磁性層がフェライト磁粉から構成され、前記磁性層中のフェライト磁性粉の体積密度を２５ｖｏｌ　％以上とすることを好適とする点について説明する。
フェライト磁粉の体積密度を２５ｖｏｌ　％以上とするのは、２５ｖｏｌ　％未満であると、　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な結合、すなわち、次式に示す結合係数ｋが小さくなり、　充分な充電特性が得られないからである。
【００１７】
ｋ＝Ｍ／（Ｌ１　×Ｌ２　）１／２　
ここで、Ｍ：相互インダクタンス（Ｈ）
Ｌ１　：送電コイルの自己インダクタンス（Ｈ）
Ｌ２　：受電コイルの自己インダクタンス（Ｈ）
なお、このような磁性層は、所望の組成のフェライト磁粉をエポキシ樹脂などのバインダで固着して形成することができる。
【００１８】
また、この体積密度は、磁気素子全体において、必ずしも同一である必要はなく、磁性層、中窓およびコイル線間など、場所に応じて１種または２種以上の体積密度の磁性体を用いることができる。
また、本発明において、磁性層の厚みを５〜５００　μｍ程度とすることが好ましい。例えば、フェライト磁粉の体積密度の調整により、適切な磁性層の厚みを調整することができるが、この厚みが５μｍに満たないと送電側からの磁束の取り込み効果が乏しくなり、一方、５００　μｍを超えると磁気素子が厚くなって機器の薄型化を阻害するからである。
【００１９】
なお、本発明の平面磁気素子は、　コイルを形成したままの状態でそのまま使用しても構わないが、表面を保護するために、図５に示すように、コイル形成側に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などの絶縁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である絶縁樹脂層６を被覆することが有利である。また、図４に示すように、当該絶縁樹脂層６に加えて、　アルミナ等のセラミックスやシリコンなど非磁性の薄い板状の非磁性の基板７で覆うことは、強度を確保する上で有効である。
【００２０】
【実施例】
本発明の平面磁気素子の代表的な製造方法を説明する。なお、以下に記載の寸法等の具体的数値は、代表的な構成を例示するものであり、　何ら数値を限定するものではない。
（１）　Ｓｉ基板上にＮｉＺｎ系のフェライトペーストをスクリーン印刷・焼成することで４０μｍ厚となるように形成する。
（２）　その上に、ポリイミド樹脂を塗布し、さらにＣｕシード層を０．５　μｍ厚として成膜する。
（３）　その上に、レジストを塗布し、例えば、片側１０ターン、両側で計２０ターンの平面コイルパターンを露光・現像し、レジストフレームを形成する。
（４）　上記レジストフレーム内に、電気めっき法でＣｕを析出させる。
（５）　レジスト剥離後、エッチングにより不要なＣｕシード層を除去する。
（６）　フェライト磁粉をエポキシ樹脂に混ぜたペーストを、スクリーン印刷法にて、形成した平面コイルの線間および中窓に充填・熱硬化する。
【００２１】
以上の工程で、図４に例示の平面磁気素子が完成する。また、フェライト基板上に、上記と同様にＣｕを形成して平面コイルとなし、その線間および中窓にフェライト磁粉をエポキシ樹脂に混ぜたペーストを充填・熱硬化させ、最後に、保護被覆として絶縁樹脂層を形成することで、図５に例示する平面磁気素子を完成することができる。
【００２２】
次に、図１および図４に例示のように、２つの平面コイルを直列接続して形成した本発明の平面磁気素子（以下、本発明例とよぶ。）を製作し、その特性評価を行った結果について説明する。
なお、比較のため、図３に示す平面コイルを１つとした平面磁気素子（以下、比較例とよぶ。）を製作して同様の特性評価を実施している。
【００２３】
フェライト組成は、すべて、Ｆｅ２　Ｏ３　：４９　ｍｏｌ％、ＺｎＯ：２３　ｍｏｌ％、ＮｉＯ：２８
ｍｏｌ％の組成とした。
まず、Ｓｉ基板上に上記組成のフェライトペーストを印刷後、焼成し、４０μｍ厚のフェライト層を形成した。この上に、ポリイミド樹脂をスピンコートによって３μｍ厚に成膜した後、無電解めっき法で０．５　μｍ厚のＣｕをシード層として全面に成膜した。その上に、レジストの塗布・露光・現像処理を行い、スパイラル形状の平面コイル形成用のレジストフレームを形成した。この後、電気Ｃｕめっきを行い、レジスト剥離後、不要のＣｕシード層をエッチング除去した。完成した平面コイルは、厚さ８０μｍ、片側１５ターン、両側で計３０ターンである。次に、フェライト磁粉の体積率を６０ｖｏｌ　％としたエポキシ樹脂ペーストの充填を行い、熱硬化させて磁性層を形成し、本発明例の平面磁気素子を完成させた。
【００２４】
一方、上記と同じ製法で比較例の平面磁気素子を作成した。比較例の平面コイルは、２０ターンのものを１つとした。
送電装置側は、それぞれの平面コイルに対応する送電コイルを配置して形成した。それぞれの送電コイルは、焼結フェライトコアに導線をコイルに巻いて形成した。送電装置の駆動周波数は１００　ｋＨｚ、送受電コイル間のギャップを２ｍｍに設定した。得られた特性の比較を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１から明らかなように、比較例に比べて、本発明例では、その誘起電圧が上回っており、また、コイル直流抵抗が小さくなっている。また、発熱による昇温（ΔＴ）についても比較例よりも本発明例の方が小さくなっており、本発明の効果は明らかである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、きわめて薄型化され、充電効率の高い非接触充電器用磁気素子を得ることができ、局所的な発熱も抑えることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触充電器用平面磁気素子の模式平面図である。
【図２】本発明の別形態の非接触充電器用平面磁気素子の模式平面図である。
【図３】１つの平面コイルで構成した非接触充電器用平面磁気素子（比較例）の模式平面図である。
【図４】本発明の非接触充電器用平面磁気素子と給電装置の模式断面図である。
【図５】構造の異なる本発明の非接触充電器用平面磁気素子と給電装置の模式断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ　　　　非接触充電器用平面磁気素子
２　　　　磁性層
３　　　　平面コイル
４　　　　端子
５　　　　配線
６　　　　絶縁樹脂層
７　　非磁性の基板（Ｓｉ基板、アルミナ基板）
８　　フェライト基板
１０　　　　送電装置
１１　　フェライトコア
１２　　巻線コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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