(57)【要約】【課題】  非接触充電器用平面磁気素子に関する。【解決手段】  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となる非接触充電器用平面磁気素子であって、当該磁性層のもう一つの面に、前記平面コイルのコイル端子電極に加え、ダミー電極を配置してなる。【選択図】      図１
2005109173.tif 000002
【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となる非接触充電器用平面磁気素子であって、
当該磁性層のもう一つの面に、前記平面コイルのコイル端子電極に加え、ダミー電極を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性体から構成され、前記磁性層中のフェライト磁性体の体積率が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平面磁気素子。
【請求項３】
前記磁性層が比透磁率５以上の磁性体で構成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触充電器用平面磁気素子。
【請求項４】
前記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0.25〜４倍の範囲としてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の非接触充電器用平面磁気素子。
記
δ＝  {２／(μ×σ×ω)}1/2 
ここで、μ：透磁率（Ｈ／ｍ）、
σ：電気伝導率（Ｓ／ｍ）、
ω：角振動数（ｒａｄ／ｓ）。
【請求項５】
前記の磁性層、平面コイルおよび電極を合わせた全体の厚みが１mm未満であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の非接触充電器用平面磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、その大幅な薄型化を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報技術の普及により、携帯電話や電子情報端末の小型・薄型・軽量化が急速に進んでいる。これに伴い、Liイオン電池やニッケル水素電池のような２次電池で駆動する形態が多用されている。
【０００３】
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、接点が露出した形では信頼性に問題を生じる恐れがあるため、非接触式の充電システムが要望されている。
【０００４】
これまで非接触充電システムは、主に電動歯ブラシやシェーバーなどの水回りの機器に用いられてきたが、最近では例えば特許文献１のように携帯電話やＰＨＳなどの携帯情報機器にも用いられるようになってきており、これに伴い軽量化、小型化、薄型化が求められている。
【０００５】
特に薄型のものとして、カード型非接触充電の例がある（非特許文献１、非特許文献２など参照）。
【０００６】
かかる非接触充電システムにおける磁気素子は、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いる。
【０００７】
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）  コイル厚さが１mm程度でかつ寸法が数cm角と大きいため、占有面積、体積が大きく、機器の小型・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。
【０００８】
これに対して、印刷法を用いて形成したフェライト磁性膜を用いた非接触充電器用平面磁気素子が知られている（特許文献２参照）。この平面磁気素子は、平面コイルをめっき法などで形成した後、フェライト粉にエポキシ樹脂を混ぜた磁性ペーストを平面コイル上に印刷、熱硬化することによって高抵抗のフェライト磁性膜を形成し、薄型化はもちろん、充電効率を改善することに成功している。
【０００９】
しかしながら、かかる構造の磁気素子では、コイル端子電極のみを備えるものであり、素子の放熱は、この２つの電極を介してプリント基板等への伝熱と、大気放散のみであった。
【００１０】
非接触充電器において、受送電コイルは充電器および携帯機器の筐体表面あるいはその近傍に配置されるため、受電側の負荷増加に対応して出力を大きくしたときのコイル素子の温度上昇は、筐体の温度上昇に直結することが多い。充電器の送電コイル近傍および携帯機器の受電コイル近傍が過熱状態となって、人が手を触れて火傷する事故はあってはならないため、受送電コイルの温度上昇ΔＴに対しては、ΔＴ＜25℃（温度Ｔ＜50℃）と、通常の電源用コイルなどと比較して厳しい要求が課せられている。
【特許文献１】特開2000-78763号公報
【特許文献２】特開2002-299138号公報
【非特許文献１】Kanai et al: IEEE APEC Record, pp.1157-1162 (2000)
【非特許文献２】金井ら：電気学会マグネティクス研究会 MAG-00-150
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、非接触充電器に搭載される磁気素子について、放熱性を大幅に改善して、温度上昇を抑制した安全な非接触充電器用磁気素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、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、さらに好ましくはコイル端子電極に加えて１個以上のダミー電極を該磁性層の他面に配置することによって、所期の目的が有利に達成されることの知見を得た。
【００１３】
本発明は、上記の知見に立脚してなされたものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、以下の各項記載の非接触充電器用平面磁気素子である。
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となる非接触充電器用平面磁気素子であって、当該磁性層のもう一つの面に、前記平面コイルのコイル端子電極に加え、ダミー電極を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。
２  前記磁性層がフェライト磁性体から構成され、前記磁性層中のフェライト磁性体の体積率が25vol％以上であることを特徴とする上記１に記載の非接触充電器用平面磁気素子。
３  前記磁性層が比透磁率５以上の磁性体で構成されてなることを特徴とする上記１または２に記載の非接触充電器用平面磁気素子。
４  前記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0.25〜４倍の範囲としてなることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の非接触充電器用平面磁気素子。
【００１５】
記
δ＝  {２／(μ×σ×ω)}1/2 
ここで、μ：透磁率（Ｈ／ｍ）、
σ：電気伝導率（Ｓ／ｍ）、
ω：角振動数（ｒａｄ／ｓ）。
５  前記の磁性層、平面コイルおよび電極を合わせた全体の厚みが１mm未満であることを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載の非接触充電器用平面磁気素子。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、充電中の温度上昇がきわめて小さい、薄型化された非接触充電器用磁気素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に従う代表的な平面磁気素子を図１に模式的に示す。
【００１８】
コイル形状に関しては、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良い。図１では、一例としてスパイラル型を示している。
【００１９】
磁性層１から露出している平面コイル２の上面を送電コイル（ここでは図示せず。）と対向して配置することにより、送電コイルで発生する磁束を受電コイルである平面コイル２の線間および下面の磁性層に取り込むことができ、ひいては電力を受電コイルヘ有効に伝送することができる。
【００２０】
本発明では、平面コイル２と反対側の磁性層表面に外部接続する電極を形成する。形成した電極のうちコイル端子と接合するものをコイル端子電極９、接合しないものをダミー電極10と呼ぶ。そして、これらの電極をプリント基板等に接合して使用する。
【００２１】
従来、コイル端子電極のみであったのに対して、本発明においてダミー電極を配置することにより、平面磁気素子の発熱を磁性層からダミー電極を介してプリント基板に放熱させることが可能となる。そして、放熱量の増加に伴い平面磁気素子の温度上昇は抑えられ、図４に示されるように同一の受電側出力（出力電流Ｉ0）であればより低温とすることができ（図４中のａ）、同一の温度上昇であればより高出力として（図４中のｂ）、使用可能となる。
【００２２】
形成された放熱構造（サーマルビア、ヒートスプレッダー、ヒートシンク等）に直接接合することにより、極めて大きな放熱効果を得ることができる。
【００２３】
ここで、ダミー電極10の個数配置は、図１（ｂ）に限定するものではない。個々の電極を異なる形状、異なる大きさにしてよく、例えば、図３（ａ）及び（ｂ）に示すようにコイル端子電極９とダミー電極10を大面積化することで、より効率的な放熱効果を得ることもできる。
【００２４】
なお、図３（ｃ）に示すように、ダミー電極を用いずに、コイル端子電極９を大面積化するようにしても放熱の効果を得ることは可能であるが、ノイズ放散の原因となるため、先に述べた基板の放熱構造にコイル端子電極を接合することができず、その放熱効果は限定的である。
【００２５】
電極は、あらかじめフェライト基板に同時焼成によってコイル端子のビアとともに形成されたAg、Cu、Ni、Auなどの焼成電極や、コイル形成後に無電解めっきやバレルめっきなどのめっき法によって形成されるCu、Ni、Sn、Auなどの積層構造の電極、あるいはこれらの技術を複合させて得られる電極が、放熱効果を改善する上で好ましい。また、電極は、実装時の接合に適した表面に仕上げることが重要である。ここで、接合とは、半田接合、ワイヤーボンディング接合、フリップチップ接合などである。
【００２６】
また、図１では、磁性層のビアホールを介してコイル端子４とコイル端子電極９を接続した例を示しているが、接続する構造はこれに限るものではない。
【００２７】
次に、上記２の発明において、磁性層中のフェライト磁性体の体積率を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、十分な充電特性が得られないからである。
【００２８】
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、この体積率は、磁気素子全体において必ずしも同一である必要はなく、場所に応じて１種または２種以上の体積率を有する磁性体を用いることもできる。
【００２９】
上記３の発明において、磁性層の比透磁率を５以上としたのは、送電コイルからの磁束を磁性層に集中せしめ、平面コイルを横切る磁束を低減することにより、コイル中の渦電流損を低減できるからである。また、比透磁率が５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が小さくなって十分な充電特性が得られないからである。
【００３０】
なお、この比透磁率についても、磁気素子全体において必ずしも同一とする必要はなく、場所に応じて１種または２種以上の比透磁率を有する磁性体を用いることもできる。
【００３１】
ここで、磁性層は、フェライト焼結体や、フェライト磁性粉を樹脂などの絶縁材料中に分散させた混合物で構成されてもよい。また、これらを部分的に組み合わせたものでも良い。このようにして磁性層の比透磁率を変えることができる。
【００３２】
本発明におけるフェライト磁性体としては、絶縁体であるNiZn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するものではないが、代表組成を示すと次のとおりである。なお、この組成は、磁気素子全体において、必ずしも同一組成とする必要はなく、場所に応じて適宜組成を変更することができる。
【００３３】
Fe203：40〜50mol％
Fe203 が50mol％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だけでなく、コイルや端子と接する部分では、電気的短絡の原因となる。また、40mol％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40〜50mol％程度とすることが好ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
CuＯ：20mol％以下
CuＯは、焼成温度を下げるために加える。しかしながら、20mol％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。
【００３６】
Bi203：10mol％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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、本発明において、フェライト磁性層の厚みは５〜500μｍ程度とすることが好ましい。磁性体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、一方500μｍを超えると磁気素子が厚くなり機器の薄型化を阻害するためである。
【００３９】
上記４の発明は、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δ以上のコイルに高周波電流を流すと、電流はコイル表面に集中し、コイルの中心を流れず、交流抵抗が周波数とともに増大する。しかしながら、これらの値を表皮厚み程度に揃えると、コイル断面積が小さくなるため直流抵抗が大きくなってしまい、その結果、直流が重畳するような回路に搭載される場合、損失が大きくなる。これを避けるために、コイル線の厚みや幅を表皮厚み程度に分割したコイルが用いられてきたが、コイル間を絶縁するスペースが増加する分大きくなるため素子の小型化が損なわれるだけでなく、近接効果によりコイル損失の低減に限界があることが明らかとなっている。
【００４０】
そこで、非接触充電器の受送電コイルとしての使用環境下において、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結果、コイル線の厚みと幅をそれぞれ次式で示される表皮厚みδの0.25倍以上、４倍以下とすることが有効であることが分かった。
【００４１】
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0.25倍に満たないと、コイル直流抵抗が大きくなり、コイルの発熱が大きくなる。一方、４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き、また、磁気素子の寸法が大きくなる。なお、より好適には0.4倍以上２倍以下である。
【００４２】
また、本発明において、コイルの厚みは５〜200μｍ程度とすることが好ましい。この厚みが５μｍに満たないとコイルの抵抗が大きくなり、損失が増大する。これを補うにはコイル線の幅を極端に広くすることが必要となるが、線幅の増大に伴いコイル線長さが増大するため、コイル抵抗の低減には限界があり、また、磁気素子の占有面積が大きくなり、機器の小型化を阻害する。一方、コイルの厚みが200μｍを超えると、アディティブ法でもサブトラクト法でもコイルの形成が困難となり、さらにはコイル線間をフェライト磁性体で埋めるためにコイル線間のスペースを大きくとる必要から磁気素子の占有面積が増大し、機器の小型化を妨げる。
【００４３】
ここで、本発明の平面磁気素子は、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２に示すように、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５を被覆するのが好適である。また、かかる被膜に加えて、この被覆上あるいは平面コイル２と反対側をアルミナや窒化アルミ等のセラミックスやシリコンなど非磁性かつ高熱伝導率の薄い板材などの補強基材６で覆うことは、強度を確保するだけでなく、放熱性を改善する上でも有効である。しかしながら、平面コイル表面の保護被膜、補強基材は磁気的ギャップとして作用するため、保護被膜、補強基材の厚みはトータルで0.5mm未満であることが好ましい。
【００４４】
以上のことから、本発明の平面磁気素子の厚みは、磁性層、平面コイルおよび電極を合わせた全体でも１mm未満とすることを好適とする。
【００４５】
厚みが１mm以上になると、熱伝導が悪くなり、十分な放熱ができなくなり、平面磁気素子が過熱される恐れがある。
【実施例１】
【００４６】
片面に厚さ１μｍのCu膜があらかじめ形成された厚さ25μｍのポリイミド樹脂フィルムを、 Cu膜を表にしてガラス基板上に接着し、このCu膜上にフォトレジストを塗布した後フォトリソグラフィ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を析出させた後、レジストを剥離し、ついで化学エッチングしてコイル線間の下地めっきを除去し、平面コイルとした。このとき、コイル端子も併せて形成した。
【００４７】
かくして、コイル線の厚み：100μｍ、幅：85μｍ、間隔：20μｍでターン数が30.5のスパイラル型の平面コイルを作製した。
【００４８】
その後、Fe203：49.5mol％、ZnO：28mol％、CuO：８mol％およびNiO：14.5mol％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率が50vol％になるように調合したエポキシ樹脂ペーストとし、スクリーン印刷法にて上記の平面コイル上に塗布して、150℃にて熱硬化させ、コイル上面からの膜厚：50μｍのフェライト磁性層を形成した。なお、このフェライト磁性層の比透磁率は、20である。さらに、かかるフェライト磁性層上に、コイル端子位置にビアホールの開いたFe203：49mol％、ZnO：30mol％、およびNiO：21mol％の組成である厚さ300μｍのフェライト焼結板を接着した。なお、このフェライト焼結板の比透磁率は900である。
【００４９】
さらに、かかるフェライト焼結板表面のコイル端子電極およびダミー電極の位置に、無電解銅めっき法にて0.5μｍ厚のCu膜を成膜した。これを下地として、バレルめっきにより10μｍ厚のCu膜、５μｍ厚のNi膜と５μｍ厚のSn膜を順に積層して、図３（ｂ）に示したコイル端子電極とダミー電極を形成した。これらの電極の形成過程で、同時に、ビアホールの内壁面にもCu／Ni／Sn膜を成膜することにより、コイル端子とコイル端子電極を接続した。
【００５０】
そして、最後に、ガラス基板を接着剤とともに除去し、幅10mm×奥行き10mm×厚さ0.52mmの平面磁気素子を完成させた。
【００５１】
送電コイルは、Ｅ型のMnZn系フェライトコアに巻線コイルを組合せて作製し、これを100ｋHzの周波数で駆動したものに、上記の平面磁気素子を平面コイルの上面を対向して1.5mmのギャップにて近接させて、出力電圧4.5Ｖで受電側負荷を変えながら出力電流Ｉoを増加していったときの平面磁気素子の温度上昇ΔＴを測定した。得られた結果を図４に示す。なお、図４では、比較例として、コイル端子電極のみ（すなわち、ダミー電極のない）平面磁気素子の温度上昇を併せて示している。
【００５２】
図４から明らかなように、本発明実施例では、ダミー電極の配置により放熱性が大幅に向上し、温度上昇の抑制に成功している。
【実施例２】
【００５３】
組成がFe203：49.5mol％、ZnO：28mol％、CuO：８mol％およびNiO：14.5mol％であり、コイル端子位置にAgのビアとコイル端子電極とダミー電極の位置にAgの外部電極を同時焼成にてあらかじめ形成した厚さ500μｍのフェライト焼結基板（比透磁率は、700）に、めっき下地層として0.5μｍ厚のCu膜を無電解めっき法にて成膜し、この上にフォトレジストを塗布した後フォトリソグラフィ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を析出させた後、レジストを剥離し、ついで化学エッチングしてコイル線間のめっき下地を除去し、平面コイルおよびコイル端子とした。
【００５４】
かくして、コイル線の厚み：100μｍ、幅：70μｍ、間隔：20μｍでターン数が20.5のスパイラル型の平面コイルを作製した。
【００５５】
その後、Fe203：49.5mol％、ZnO：28mol％、CuO：８mol％およびNiO：14.5mol％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30％になるように調合したエポキシ樹脂ペーストとし、上記の平面コイル線間のスペースにスクリーン印刷法にて塗布して、150℃にて熱硬化させた。なお、このフェライト磁性層の比透磁率は、７である。
【００５６】
ついで、コイル上面に約20μｍのエポキシ樹脂絶縁保護被膜を形成した。
【００５７】
さらに、フェライト焼結基板上に形成されたAgの電極を下地として、バレルめっきにより５μｍ厚のNi膜と５μｍ厚のSn膜を順に積層して、コイル端子電極とダミー電極を形成した。
【００５８】
かくして、幅８mm×奥行き８mm×厚さ0.65mmの平面磁気素子を完成させた。
【００５９】
送電コイルは、円柱型のMnZn系フェライトで作製し、これを300kHzの周波数で駆動したものに、上記の受電コイルを1.Ommのギャップにて近接させて、実施例１と同様に、出力を電圧４Ｖ×電流0.3Ａとしたときの平面磁気素子の温度上昇ΔＴを、コイル端子電極のみの場合とダミー電極を追加した場合で測定した。
【００６０】
得られた結果を表１に示す。
【００６１】
【表１】
2005109173.tif 000003
【００６２】
同表から明らかなように、ダミー電極の追加により温度上昇を低減し、安全な温度域で充電動作が可能となっていることが判る。また、結合係数ｋおよび誘起電圧の両者がともに大きく、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。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に従う代表的な非接触充電器用平面磁気素子の平面コイル側斜視図（ａ）、電極側斜視図（ｂ）およびＡ−Ａ視断面図（ｃ）である。
【図２】保護皮膜と補強基材の配置の例を示す模式図である。
【図３】本発明の他の好適な電極配置を例示する斜視図である。
【図４】非接触充電器用平面磁気素子の温度上昇ΔＴの出力電流Ｉoに対する依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１    磁性層
２    平面コイル
４    コイル端子
５    保護被膜
６    補強基材
９    コイル端子電極
10    ダミー電極
11    ビア
【図１】
2005109173.tif 000004
【図２】
2005109173.tif 000005
【図３】
2005109173.tif 000006
【図４】
2005109173.tif 000007