特許 7022979 非接触給電用伝送コイルおよびその製造方法ならびに非接触給電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-10

(45)【発行日】2022-02-21

(54)【発明の名称】非接触給電用伝送コイルおよびその製造方法ならびに非接触給電装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 38/14 20060101AFI20220214BHJP

   H01F 5/00 20060101ALI20220214BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20220214BHJP

   H01F 41/04 20060101ALI20220214BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20220214BHJP

   H01Q 1/38 20060101ALI20220214BHJP

   H01Q 7/06 20060101ALI20220214BHJP

【ＦＩ】

H01F38/14

H01F5/00 M

H01F27/28 104

H01F41/04 C

H02J50/10

H01Q1/38

H01Q7/06

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2017243366

(22)【出願日】2017-12-20

(65)【公開番号】P2019110252

(43)【公開日】2019-07-04

【審査請求日】2020-09-16

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度 国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「スーパークラスタープログラム」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(72)【発明者】

【氏名】水野 勉

(72)【発明者】

【氏名】卜 穎剛

【審査官】久保田 昌晴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０５４６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２８９２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１８８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０４４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２２９８５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ５／００－５／０６、１７／００－１９／０８

Ｈ０１Ｆ ２７／２８－２７／３０、２７／３３－２７／４２

Ｈ０１Ｆ ３８／１４、３８／１８

Ｂ６０Ｌ ５３／１２－５３／１２６

Ｈ０２Ｊ ５０／００－５０／９０

Ｈ０１Ｑ １／３８、７／００－７／０８

Ｈ０１Ｌ ２７／０４

Ｈ０５Ｂ ６／００－６／４４

Ｈ０５Ｋ １／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、前記基板上に配置され渦巻状に巻回されたコイルとを備えた非接触給電用伝送コイルであって、
前記コイルのコイル導体断面の両側面および両端部上に第一磁性膜を設け、
前記コイル導体断面の上面において前記両端部以外の部分は磁性膜が覆われていない
ことを特徴とする非接触給電用伝送コイル。

【請求項2】

前記基板の裏面において前記第一磁性膜に対向する位置に第二磁性膜を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電用伝送コイル。

【請求項3】

前記第一磁性膜における前記コイル導体断面の片端部上のコイル導体をかぶる部分の長さと、前記第二磁性膜における前記基板を介して対向する磁性膜部分の長さが略等しい
ことを特徴とする請求項２に記載の非接触給電用伝送コイル。

【請求項4】

前記第一磁性膜における前記コイル導体断面の片端部上の磁性膜部分の長さがコイル導体の表皮深さの１倍以上２０倍以下である
ことを特徴とする請求項１～３に記載の非接触給電用伝送コイル。

【請求項5】

前記基板がフレキシブル基板である
ことを特徴とする請求項１～４に記載の非接触給電用伝送コイル。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の非接触給電用伝送コイルを送電コイルとして又は送電コイルおよび受電コイルとして用いる
ことを特徴とする非接触給電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、携帯電子機器等に非接触で給電する非接触給電用の伝送コイルおよびその製造方法に関する。さらにはそれを用いた非接触給電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、二次電池を搭載する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、送電用の１次コイルと受電用の２次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。非接触給電装置では、送電コイルに高周波の交流電流を通電し、送電コイルから発生する高周波磁界を受電コイルが受け取ることで、非接触で電力送電する。このような非接触給電装置は、小型であること、特に薄型であることが要求される。そこで、送電用・受電用の伝送コイルとして渦巻型の平面コイルが使用されている。

【0003】

薄型コイルの形成技術として、例えば、特許文献１には、導電性インクの印刷パターンやプリント基板上に薄膜形成、表面処理によって形成された導電性パターンをコイルに使用することが記載されている。

【0004】

しかし、薄膜コイルにおいては、コイル導体厚が薄いため、渦電流による表皮効果や近接効果によってコイル導体の両端部で磁束線が集中し電流が集中する。特に、コイル膜厚がコイルの表皮深さと同程度の場合、コイル導体の側面から表皮深さの領域で電流集中が顕著である。このためコイルの交流抵抗が増大し電力伝送効率が低下する問題があった。

【0005】

このような表皮効果や近接効果による抵抗増大の対策として、例えば、特許文献２には、撚り線（リッツ線）のような絶縁された電線からなるコイルを使用することが記載されている。また、誘導加熱コイルに関する特許文献３では、コイル導体間に磁性体を挿入して配置し高周波損失を低減することが記載されている。

【0006】

しかし、特許文献２のリッツ線は電線であり、また特許文献３の磁性体はフェライトであって、何れもバルクであるため小型化・薄型化の要請に十分応えられるものではなかった。さらに、特許文献３のフェライトについては、焼結体であるため振動・落下などによる衝撃に弱いという欠点も有していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－５９３２３号公報

【文献】特開２００６－４２５１９号公報

【文献】ＷＯ２０１１／０３０５３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、携帯電子機器において、小型化・薄型化を可能とし、かつ表皮効果や近接効果による高周波損失を低減して交流抵抗の増大を抑制できる非接触給電用の伝送コイルを提供することを目的とする。さらにこの伝送コイルを用いた高伝送効率の非接触給電装置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】

【0009】

第１の発明の非接触給電用伝送コイルは、基板と、前記基板上に配置され渦巻状に巻回されたコイルとを備えた非接触給電用伝送コイルであって、前記コイルのコイル導体断面の両側面および両端部上に第一磁性膜を設け、前記コイル導体断面の上面において前記両端部以外の部分は磁性膜が覆われていないことを特徴とする。

【0010】

第２の発明の非接触給電用伝送コイルは、第１の発明に係る非接触給電用伝送コイルにおいて、前記基板の裏面の前記第一磁性膜に対向する位置に第二磁性膜を設けたことを特徴とする。

【0011】

第３の発明の非接触給電用伝送コイルは、第２の発明に係る非接触給電用伝送コイルにおいて、前記第一磁性膜における前記コイル導体断面の片端部上のコイル導体をかぶる部分の長さと、前記第二磁性膜における前記基板を介して対向する磁性膜部分の長さが略等しいことを特徴とする。

【0012】

第４の発明の非接触給電用伝送コイルは、第１から第３のいずれか一つの発明に係る非接触給電用伝送コイルにおいて、前記第一磁性膜における前記コイル導体断面の片端部上の磁性膜部分の長さがコイル導体の表皮深さの１倍以上２０倍以下であることを特徴とする。

【0013】

第５の発明の非接触給電用伝送コイルは、第１から第４のいずれか一つの発明に係る非接触給電用伝送コイルにおいて、前記基板がフレキシブル基板であることを特徴とする。

【0014】

第６の発明の非接触給電装置は、第１から第５のいずれか１つの発明に係る非接触給電用伝送コイルを、送電コイルとして又は送電コイルおよび受電コイルとして用いることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

第１の発明によれば、コイル導体断面の両側面だけでなく、コイル導体断面の両端部上にも薄膜の磁性膜を設けているので、磁束線がコイル導体を迂回して分布するようになる。このためコイル導体断面の両端部での電流集中が緩和され、コイルの交流抵抗を低減できる。

【0016】

第２の発明によれば、コイル導体の両端部上だけでなく、基板の裏面側にも薄膜の磁性膜を設けているので、さらに磁束線がコイル導体を迂回しやすくなる。これにより、電流集中が緩和され交流抵抗をさらに低くできる。

【0017】

第３の発明によれば、コイル導体断面の片端部上のコイル導体をかぶる部分の長さと、第二磁性膜における基板を介して対向する磁性膜部分の長さが略等しくすることで、より効率的に交流抵抗を低減できる。

【0018】

第４の発明によれば、コイル導体断面の片端部上の磁性膜部分の長さを表皮深さの１倍以上２０倍以下とすることで、コイル導体断面の側面から表皮深さまでの磁束線が集中する部分を磁性膜で覆うことができ、効率的に磁束線をコイル導体から迂回させて交流抵抗を低減できる。

【0019】

第５の発明によれば、基板にフレキシブル基板を用いることで、非接触給電用伝送コイルの小型化・薄型化を容易に実現でき、さらにその可撓性から耐衝撃性を向上させることができる。

【0020】

第６の発明によれば、表皮効果や近接効果による高周波損失を低減し低コストで製造できる伝送コイルを使用するので、伝送効率が高くかつ低コストの非接触給電装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１及び第２の実施の形態に係る伝送コイルの平面概略図（磁性膜の部分は省略）である。

【図2】第１の実施の形態に係る伝送コイルの断面概略図である。

【図3】第２の実施の形態に係る伝送コイルの断面概略図である。

【図4】磁性材塗布による伝送コイルの磁性膜の製造プロセスを説明する図である。

【図5】磁性材めっきによる伝送コイルの磁性膜の製造プロセスを説明する図である。

【図6】磁性材スパッタによる伝送コイルの磁性膜の製造プロセスを説明する図である。

【図7】一実施の形態に係る非接触給電装置を説明する回路ブロック図である。

【図8】コイルの計算モデルを説明する図（平面図）である。

【図9】第一磁性膜のみを有する伝送コイルの断面概略図である。

【図10】第一磁性膜のみを有する伝送コイルにおける、交流抵抗とＤ１、Ｌ１との関係を示す図である。

【図11】第一磁性膜及び第二磁性膜を有する伝送コイルの断面概略図である。

【図12】第一磁性膜及び第二磁性膜を有する伝送コイルにおける、交流抵抗とＤ１、Ｌ１との関係を示す図である。

【図13】磁性膜をコイル導体断面の両側面にのみ配置した伝送コイルの断面概略図である。

【図14】磁性膜をコイル導体断面の両側面にのみ配置した伝送コイルにおける、交流抵抗とＤ２との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施形態に係る伝送コイルおよびその製造方法ならびに伝送コイルを用いた非接触給電装置について、図面に基づいて説明する。

【0023】

＜１．伝送コイル＞
（第１の実施の形態）
図１は、第１及び第２の実施の形態に係る伝送コイルのコイル部分のみの平面概略図である。磁性膜の部分については省略して図示していない。伝送コイル１は、基板２上にアルミニウム、銅又はマンガニン（登録商標）（銅、マンガン及びニッケルの合金）の金属からなるコイル導体１１が渦巻状に巻回された平面コイル（巻き数は３巻）を備えている。

【0024】

図２は、第１の実施の形態に係る伝送コイルの断面概略図であり、図１のＡ－Ａ′断面に磁性膜を追加して図示したものである。基板２上にコイル導体１１を備え、さらに各巻のコイル導体１１において断面の両側面および両端部上に第一磁性膜３１を設けている。第一磁性膜３１は、ＦｅＳｉＢＣｒ等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やＮｉ系、Ｆｅ系の磁性薄膜などで構成することができる。

【0025】

コイル導体１１に高周波の交流電流を流すとコイル導体１１の周囲に磁束線を発生させるが、表皮効果及び近接効果によって磁束線はコイル導体断面の端部で集中しコイル導体１１を貫通する。このため、コイル導体１１の端部では電流が集中し当該端部での抵抗が増加する。この影響は、コイル導体１１が薄く、断面のアスペクト比が大きいほど大きい。

【0026】

これに対し、本実施の形態では、コイル導体断面の両端部の両側面及びその上に第一磁性膜３１を配置する。すなわち、第一磁性膜３１をコイル導体の両端部でコイル導体を覆いかぶすように配置する。これにより、コイル導体１１の周囲の磁束線は比透磁率の高い第一磁性膜３１に吸い寄せられ誘導されコイル導体１１を迂回して分布する。よって、本実施の形態においては、コイル導体１１の両端部での磁束線の集中や電流集中の問題を解消でき、交流抵抗の増加を抑制できる。

【0027】

また、第一磁性膜３１のコイル導体１１に覆いかぶさる磁性膜部分の長さが長い場合、コイル導体１１の周囲を流れる磁束線は当該磁性膜部分に吸い寄せられるが、磁性膜部分の比透磁率が小さいと、磁性膜部分からコイル導体１１に磁束線が漏れてコイル導体１１を貫通し易くなる。このため、コイル導体１１内で電流集中が起き交流抵抗も高くなる。この影響は、コイル導体１１の膜厚が表皮深さの程度に薄いとき大きい。コイル導体断面の側面から概ね表皮深さの距離の部分で電流集中が顕著に起きるからである。

【0028】

そこで、効率的に磁束線を吸い寄せ誘導するため、コイル導体断面の片端部上の第一磁性膜３１の磁性膜部分の長さＬ１は、表皮深さの１倍以上２０倍以下であることが好ましい。電流集中が起きるコイル断面両端のコイルの表皮深さの部分を磁性膜部分で完全に覆うことができ、磁性膜部分の長さＬ１が表皮深さの２０倍を超えると当該磁性膜部分からの磁束線の漏れの影響が大きくなるからである。さらに好ましくは、磁性膜部分の長さＬ１は表皮深さの３倍以上１２倍以下である。

【0029】

なお表皮深さｄは、次の式で表すことができる。

【0030】

【数1】

ρ：コイル導体の電気抵抗率
ω：電流の角周波数（＝２π×周波数ｆ）
μ：コイル導体の透磁率（＝コイル導体の比透磁率μｒ×真空の透磁率μ_０）

【0031】

ここで、ρ＝１．７２×１０^－８Ωｍ（銅を想定）、μ＝４π×１０^－７Ｈ／ｍ（μｒ＝１に相当）とすると、ｆ＝８５ｋＨｚのとき表皮深さｄ＝２２６．４μｍ、ｆ＝１ＭＨｚのとき表皮深さｄ＝６６μｍ、ｆ＝１３．５６ＭＨｚのとき表皮深さｄ＝１７．９μｍである。

【0032】

さらに、第一磁性膜３１の比透磁率についても、磁束線の漏れ軽減の観点から、比透磁率は２以上１０，０００以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０以上１０，０００以下である。

【0033】

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る伝送コイルの断面概略図である。第２の実施の形態に係る伝送コイル（磁性膜を省略したもの）の平面概略図は、図１と同じであり、図３は、平面概略図の図１のＡ－Ａ′断面に磁性膜を追加して図示したものである。

【0034】

第２の実施の形態は、第１の実施の形態である伝送コイルにおいて、基板２を介して第一磁性膜３１に対向する基板２の裏面にも、断面矩形の第二磁性膜３２を追加し配備したものである。第一磁性膜３１と第二磁性膜３２について、コイル導体１１への磁束線の漏れを抑える観点から、基板２を介して互いに対向する磁性膜部分のそれぞれの長さは略等しい（すなわち、第一磁性膜３１におけるコイル導体断面上のコイル導体をかぶる部分の長さＬ１と、第二磁性膜３２における基板２を介して対向する磁性膜部分の長さＬ２と略等しい）ことが好ましい。

【0035】

第二磁性膜３２は、第一磁性体３１と同様にアモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やＮｉ系、Ｆｅ系の磁性薄膜などで構成することができる。また、比透磁率についても、第一磁性膜３１と同様に、第二磁性膜３２の比透磁率は２以上１０，０００以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０以上１０，０００以下である。

【0036】

第２の実施の形態では、第一磁性膜３１の他に第二磁性膜３２をコイル導体１１の両端部に配備しているため、コイルの交流抵抗の増大をさらに抑制できる。

【0037】

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る伝送コイルは、第１又は第２の実施の形態に係る伝送コイルにおいて、基板にフレキシブル基板を用いたものである。薄いフレキシブル基板を使用することにより、基板を含む伝送コイルの厚みさらに薄くでき、伝送コイルの小型化・薄型化を実現できる。さらにフレキシブル基板は可撓性を有するので、伝送コイルについて優れた耐衝撃性を実現することができる。

【0038】

＜２．伝送コイルの製造方法＞
（磁性材塗布による磁性膜の製造プロセス）
図４は、一実施の形態に係る伝送コイルの製造プロセス、特に磁性材塗布による第一磁性膜の製造プロセスを説明する図である。渦巻状に３巻に巻回され形成された薄膜の伝送コイルの断面を図示している。

【0039】

第一磁性膜は、次のように製造する。すなわち、（ａ）基板２上に貼り付けられた所定膜厚の銅箔をエッチング等で所望のサイズの渦巻状にパターニングしコイル導体１１を形成する。そして、当該基板２上にレジストを塗布し又はレジストフィルムを貼り付け、所定の膜厚のレジスト４１の層を形成する。（ｂ）その後、フォトマスクを介してレジストに紫外線を露光（照射）し、現像・水洗してレジスト４１をパターニングし、コイル導体１１の両端部にレジストの開口を設ける。（ｃ）さらに、ＦｅＳｉＢＣｒ等の鉄系アモルファス磁性粉をエポキシ樹脂又はシリコン樹脂に含有させた磁性材４２を基板２の表面に塗布し、磁性材４２をレジストの開口部に充填する。（ｄ）そして、スキージ等で表面を平に仕上げ、レジスト４１上の不要な磁性材４２を除去し、（ｅ）その後、磁性材４２をエポキシ樹脂のときは２００℃、シリコン樹脂のときは１２０℃で加熱成形して、レジストを溶剤でリムーブする。これにより、コイル導体１１の両端部の側面及び上面に所定の形状の第一磁性膜を製造する。

【0040】

なお（ｅ）において、レジストをリムーブせず、そのまま残しておくこともできる。また、基板２はフレキシブル基板であってもよい。

【0041】

上に述べた第一磁性膜の製造方法は、第二磁性膜の製造プロセスにも応用できる。すなわち、上述の製造プロセスにより第一磁性膜を形成した基板の裏面に、上述の製造プロセスと同様に、レジストを塗布又はレジストフィルムを貼り付けパターニングし、開口部に磁性材を充填して不要部を除去して、第二磁性膜を製造可能である。なお、第一磁性膜と第二磁性膜が基板の表面と裏面の同じ位置に形成できるようにするため、基板を貫通するピンを位置マーカとして利用することもできる。

【0042】

（磁性材めっき又は磁性材スパッタによる磁性膜の製造プロセス）
図５は、他の実施の形態に係る伝送コイルの製造プロセス、特に磁性材めっきによる第一磁性膜の製造プロセスを説明する図である。図４と同様に、渦巻状に３巻に巻回され形成された薄膜の伝送コイルの断面を図示している。

【0043】

第一磁性膜は、次のように製造する。すなわち、（ａ）基板２上に貼り付けられた所定膜厚の銅箔をエッチング等で所望のサイズの渦巻状にパターニングしコイル導体１１を形成する。そして、当該基板２の表面の全面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁層４３をスパッタにより成膜し、続いて例えばニッケル（Ｎｉ）又はパーマロイ（ＮｉＦｅ）からなるめっきベース４４をスパッタ又は蒸着により成膜する。絶縁層４３は、後述の金属からなる磁性材４２にコイル導体１１から電流が流れないようにするためのものである。そして、めっきベース４４上にレジストを塗布又はレジストフィルムを貼り付け、所定の膜厚のレジスト４１の層を形成する。（ｂ）その後、フォトマストを介してレジストに紫外線を露光（照射）し、現像・水洗してレジスト４１をパターニングし、コイル導体１１の両端部にレジストの開口を設ける。（ｃ）そして、この基板をニッケル、又はニッケル及び鉄（Ｆｅ）が溶けためっき液に浸漬し、めっきベース４４を陰極、例えば白金を陽極にして電界をかけて、レジストが開口してめっきベース４４が露出した部分にニッケル又はパーマロイをめっき成膜して磁性材４２を形成する。（ｄ）さらに、レジスト４１を溶剤でリムーブし、（ｅ）磁性材４２及びめっきベース４４が露出した表面をアルゴンガス等によるイオンミリング又は逆スパッタによってめっきベース４４を削る。これにより、コイル導体１１の両端部の側面及び上面に所定の形状の第一磁性膜を製造する。

【0044】

図６は、また別の実施の形態に係る伝送コイルの製造プロセス、特に磁性材スパッタによる第一磁性膜の製造プロセスを説明する図である。図４及び図５と同様に、渦巻状に３巻に巻回され形成された薄膜の伝送コイルの断面を図示している。

【0045】

第一磁性膜は、次のように製造する。すなわち、（ａ）基板２上に貼り付けられた所定膜厚の銅箔をエッチング等で所望のサイズの渦巻状にパターニングしコイル導体１１を形成する。そして、当該基板２の表面の全面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁層４３をスパッタにより成膜し、そして、その上にレジストを塗布し又はレジストフィルムを貼り付け、所定の膜厚のレジスト４１の層を形成する。絶縁層４３は、後述の金属からなる磁性材４２にコイル導体１１から電流が流れないようにするためのものである。（ｂ）その後、フォトマストを介してレジストに紫外線を露光（照射）し、現像・水洗してレジスト４１をパターニングし、コイル導体１１の両端部にレジストの開口を設ける。（ｃ）そして、基板２の全面にニッケル、パーマロイ又は鉄をスパッタして、（ｄ）さらに、基板ごと溶剤に浸漬してレジスト４１をリムーブし、レジスト４１上の磁性材４２をリフトオフする。これにより、コイル導体１１の両端部の側面及び上面に所定の形状の第一磁性膜を製造する。なお磁性材４２としては、ニッケル、パーマロイ又は鉄など強磁性体材料の他、Ｓｉなど添加した珪素鋼の他に、アモルファス、センダストや金属の酸化物（フェライト）などを使用できる。

【0046】

第二磁性膜についても、上述した磁性材めっき又は磁性材スパッタによる方法を応用可能である。

【0047】

磁性材めっきの場合は、第一磁性膜を形成した基板の裏面にめっきベースをスパッタ又は蒸着しレジストを塗布又はレジストフィルムを貼り付けレジストの層を形成し、露光・現像によって所定の位置にレジスト開口部を設けて、基板ごとめっき液に浸してめっきベースを通電し、第二磁性膜をめっき成膜する。なお、基板は絶縁性を有するので、第二磁性膜の形成については、第一磁性膜の場合とは異なり絶縁層の形成は不要である。

【0048】

磁性材スパッタの場合は、第一磁性膜を形成した基板の裏面にレジストを塗布又はレジストフィルムを貼り付けレジストの層を形成し、露光・現像に所定の位置にレジスト開口部を設けて、基板裏面の全面に磁性材をスパッタし、リフトオフによってレジストおよび不要部分の磁性材を除去して、第二磁性膜をスパッタ成膜する。なお、基板は絶縁性を有するので、第二磁性膜の形成については、第一磁性膜の場合とは異なり絶縁層の形成は不要である。

【0049】

なお、第一磁性膜と第二磁性膜が基板の表面と裏面の同じ位置に形成できるようにするため、基板を貫通するピンを位置マーカとして利用することもできる。

【0050】

＜３．非接触給電装置＞
図７は、一実施の形態に係る非接触給電装置を説明する回路ブロック図である。この例では、携帯電子機器に適用したものである。この非接触給電装置は、充電器として機能する送電装置５と携帯電子機器本体７の電源となる二次電池６４を含む受電装置６とを備えている。送電装置５と受電装置６は、電磁的に結合することにより、非接触で電力送電を行う非接触給電装置を形成するようになっている。

【0051】

送電装置５は、図７に示すように、電源５１と整流回路５２と送電回路５３と送電コイル５４とを備えている。電源５１は、例えば１００Ｖの単相交流電圧を供給する系統電源である。整流回路５２は、入力端が電源５１に接続されるとともに出力端が送電回路５３に接続されており、電源５１から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換し、変換した直流電圧を送電回路５３に出力する。送電回路５３は、入力端が整流回路５２に接続されるとともに出力端が送電コイル５４の両端に接続されており、整流回路５２からの直流電圧を使用して所定の周波数の交流を生成する回路であり、その生成した交流電圧を送電コイル５４に供給するようになっている。

【0052】

受電装置６は、図７に示すように、受電コイル６１と受電回路６２と充放電制御回路６３と二次電池６４とを備えている。

【0053】

受電コイル６１は、送電装置５の送電コイル５４と接近させて対向させ使用する場合に、両コイル６１、５４が電磁結合して両者の間で変圧器を形成するようになっている。この電磁誘導により受電コイル６１に誘起される交流電圧は、受電回路６２に供給され、受電回路６２において整流されて直流電圧に変換される。そして、受電回路６２から出力される直流電圧は、充放電制御回路６３を介して二次電池６４に供給され、二次電池６４を充電するようになっている。充放電制御回路６３は、受電回路６２からの出力により二次電池６４を充電する場合にはその充電の制御を行い、二次電池６４の負荷である携帯電子機器本体７を動作させる場合には放電の制御を行う回路である。二次電池６４には、放電後に充電により繰り返して使用可能なリチウムイオン電池やニッケル水素電池等が用いられる。

【0054】

本実施の形態に係る非接触給電装置においては、送電コイル５４に、前述した本発明に係る伝送コイルが用いることができる。これにより、表皮効果や近接効果による高周波損失を低減し低コストで製造できる伝送コイル部品を使用しているので、伝送効率が高くかつ低コストの非接触給電装置を提供できる。

【0055】

また、受電コイル６１に前述した本発明に係る伝送コイルを用いてもよい。さらに伝送効率が高い低コストの非接触給電装置を提供できる。

【0056】

本発明に係る非接触給電装置は、携帯電話やスマートフォン、タブレットなどの携帯電子機器に限定されるものではない。電気自動車やハイブリッド型自動車などの車両の電力給電に用いられてもよい。また、本発明に係る伝送コイル部品は、誘導式加熱装置などにも適用されてもよい。さらに、本発明に係る伝送コイル部品は、電磁誘導方式の非接触給電装置における使用に限定されない。磁界共鳴方式の非接触給電装置にも適用されてもよい。

【実施例】

【0057】

以下、本発明に係る伝送コイル部品を実施・適用した場合のシミュレーション結果について述べるが、本発明はここで述べられる適用例に限定されるものではない。

【0058】

＜１．シミュレーション解析モデル＞
本発明に係る伝送コイルのシミュレーションによる適用例を説明する前に、まず、コイルの特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値、結合係数ｋ、伝送効率η）について解析するためのシミュレーションモデルについて説明する。シミュレーション用の解析ソフトには、電磁場解析ソフトウェアのＡＮＳＹＳ Ｍａｘｗｅｌｌ（ＡＮＳＹＳ社製）を用いた。表１に解析の諸条件をまとめる。

【0059】

【表1】

【0060】

図８は、コイルの計算モデルを説明する図（平面図）である。ただし、磁性膜については省略し図示していない。コイル導体は、抵抗率１．７２×１０^－８ Ωｍの銅材を想定している。巻数が３回巻の渦巻状の平面コイルである。コイルの外径（直径）をＯＤ、内径（直径）をＩＤする。

【0061】

＜２．送電コイルへの適用＞
本発明に係る伝送コイルを送電コイルとして適用した場合、磁性膜の膜厚やコイル導体上の長さを変化させてコイル特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値）を計算する。送電コイルの外径ＯＤはφ７３ｍｍ、内径ＩＤはφ４７ｍｍであり、コイルに通電する交流電流の周波数は１３．５６ＭＨｚである。

【0062】

（第一磁性膜のみを有する場合）
図９は、第一磁性膜のみを有し、第二磁性膜は有しない場合の送電コイルの断面概略図である。図８のＡ－Ａ′断面図に相当する。ただし図８では磁性膜を省略したが、図９では磁性膜（第一磁性膜）の断面も図示している。

【0063】

図９において、基板２の厚さＴ１は０．０２５ｍｍである。コイル導体１１は、断面が矩形であって、コイル導体断面の長手方向の幅Ｗ１が３ｍｍ、厚さＴ２が０．０３５ｍｍであり、コイル導体間のスペースＷ２は２ｍｍである。また、第一磁性膜３１のコイル導体上の磁性膜部分の厚みとコイル導体断面の両側面に配置される第一磁性膜３１の基板２上の磁性膜部分の幅は等しく、その値をＤ１とする。また、第一磁性膜３１のコイル導体上の磁性膜部分の長さ（第一磁性膜３１とコイル導体１１がオーバーラップしている距離）をＬ１とする。

【0064】

図１０（ａ）は、図９において、Ｄ１及びＬ１を変化させたときのコイルの交流抵抗の変化（交流抵抗とＤ１、Ｌ１との関係）を表すグラフである。図１０（ａ）から、何れのＤ１に対してもＬ１の増加に伴い交流抵抗は減少し、Ｌ１が０．１ｍｍ付近で最小となり、さらにこの値を超えると交流抵抗が増加しているのが分かる。よって、Ｌ１が０ｍｍであり第一磁性膜３１がコイル導体１１上にオーバーラップしない場合（すなわち、コイル導体断面の両側に、幅がＤ１で厚みがＤ１＋Ｔ２の矩形の第一磁性膜３１が配置される場合）に比べ、コイル導体上に第一磁性膜３１（コイル導体上の磁性膜部分の長さがＬ１である）を配置することによって、交流抵抗を低減できることが分かる。

【0065】

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）についてＬ１が０～０．５ｍｍの範囲のものを拡大して図示したものである。図１０（ｂ）からＬ１＝０ｍｍにおいて最も交流抵抗が大きいのは、Ｄ１＝１．０ｍｍの場合である。このときの抵抗Ｒ_ｍａｘは、Ｒ_ｍａｘ＝１８０ｍΩである。

【0066】

コイル導体の抵抗率＝１．７２×１０^－８ Ωｍ、電流の周波数ｆ＝１３．５６ＭＨｚであるから、表皮深さｄは、ｄ＝１７．９μｍである。この表皮深さｄを用いれば、Ｌ１がｄ以上２０×ｄ以下の範囲であれば、何れのＤ１についても、交流抵抗をさらに小さくすることができるのが分かる。さらにＤ１が０．２５ｍｍ以上のとき、Ｌ１が３×ｄ以上１２×ｄ以下の範囲で、後述する第一磁性膜３１がコイル導体１１の側面にのみ接して配置する場合（第一磁性膜３１の膜厚はコイル導体１１の膜厚と同じ）に比べて、交流抵抗を１５％以上低減できる。

【0067】

また、Ｄ１が０．１ｍｍ、Ｌ１が０．１ｍｍのときのコイル特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値）を実施例１として表２に示す。さらに、第一磁性膜を有しない場合、すなわちコイル導体のみで磁性膜が無い場合（図９において、Ｄ１＝０ｍｍ、Ｌ１＝０ｍｍの場合に相当）について、コイル特性を計算した。求めた交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値を比較例１として表２にまとめる。

【0068】

（第一磁性膜及び第二磁性膜を有する場合）
図１１は、第一磁性膜３１及び第二磁性膜３２を有する場合の送電コイルの断面概略図である。図８のＡ－Ａ′断面図に相当する。ただし図８では磁性膜を省略していたが、図１１では磁性膜（第一磁性膜及び第二磁性膜）の断面も図示している。

【0069】

図１１において、基板２の厚さＴ１、コイル導体断面の長手方向の幅Ｗ１、コイル導体断面の厚さＴ２及びコイル導体間のスペースＷ２は、図９に示した第一磁性膜のみを有する場合のものと同じである。すなわち、Ｔ１＝０．０２５ｍｍ、Ｗ１＝３ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍ、Ｗ２＝２ｍｍである。そして、第二磁性膜３２は、膜厚がＤ１、コイル導体断面の長手方向に平行な方向の長さがＤ１＋Ｌ１である。第二磁性膜３２は、基板２を介して、第一磁性膜３１に対向する位置に配置されている。したがって、コイル導体および基板を介して対向する第一磁性膜３１と第二磁性膜３２のそれぞれの部分の長さは略等しくなっている。

【0070】

図１２は、図１１において、Ｄ１及びＬ１を変化させたときのコイルの交流抵抗の変化（交流抵抗とＤ１、Ｌ１との関係）を表すグラフである。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）についてＬ１が０～０．５ｍｍの範囲のものを拡大して図示したものである。図１２から、何れのＤ１に対してもＬ１の増加に伴い交流抵抗は減少しＬ１が０．１ｍｍ付近で最小となり、この値を超えると交流抵抗が増加しているのが分かる。Ｄ１が０．１ｍｍ、Ｌ１が０．１ｍｍのときのコイル特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値）を実施例２として表２に示す。

【0071】

さらに、磁性膜をコイル導体断面の全周に配置した場合、すなわち、図１１においてＤ１が１ｍｍ、Ｌ１が１．５ｍｍの場合について、求めたコイル特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値）を比較例２として表２に示す。

【0072】

（磁性膜をコイル導体断面の両側面のみに配置した場合）
図１３は、磁性膜をコイル導体１１の断面の両側面にのみに配置した送電コイルの断面概略図である。図８のＡ－Ａ′断面図に相当する。ただし図８では磁性膜を省略していたが、図１３では磁性膜（側面磁性膜）の断面も図示している。側面磁性膜３３は、断面が矩形でありコイル導体１１の断面の両側面に配置されている。側面磁性膜３３の膜厚はコイル導体断面の厚さに等しい。

【0073】

図１３において、基板２の厚さＴ１、コイル導体断面の長手方向の幅Ｗ１、コイル導体断面の厚さＴ２及びコイル導体間のスペースＷ２は、図９に示した第一磁性膜のみを有する場合のものと同じである。すなわち、Ｔ１＝０．０２５ｍｍ、Ｗ１＝３ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍ、Ｗ２＝２ｍｍである。そして、側面磁性膜３３の膜厚はコイル導体断面の厚さＴ２である。また、コイル導体断面の長手方向に平行な方向の側面磁性膜３３の長さをＤ２とする。

【0074】

図１４は、図１３において、Ｄ２を変化させたときのコイルの交流抵抗の変化（交流抵抗とＤ２との関係）を表すグラフである。Ｄ２が０．１ｍｍのときのコイル特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値）を比較例３として表２に示す。

【0075】

＜３．送電コイル及び受電コイルへの適用＞
本発明に係る伝送コイル部品を送電コイルと受電コイルとして使用する。両コイルの中心を一致させて両コイルを互いに向い合せ、両コイルを１０ｍｍの距離（伝送距離）を離して対向させた場合のコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を計算する。結合係数ｋは、トランスを構成する送電コイルと受電コイルとの結合の度合いを表す数である。また伝送効率ηは、結合係数ｋとＱ値の積により求めることができる。

【0076】

送電コイルの外径ＯＤと内径ＩＤは、上述の＜２．送電コイルへの適用＞で示したものと同様に、それぞれφ７３ｍｍ、φ４７ｍｍである。受電コイルの外径ＯＤと内径ＩＤは、それぞれφ６３ｍｍ、φ３７ｍｍであって、受電コイルは送信コイルよりも小さい構造となっている。

【0077】

（第一磁性膜のみを有する場合）
送電コイルは、実施例１で用いたものを使用する。

【0078】

受電コイルは、基本的には実施例１と同じであり、外径ＯＤと内径ＩＤが異なる。すなわち、図９において、受電コイルの基板２の厚さＴ１、コイル導体断面の長手方向の幅Ｗ１、コイル導体断面の厚さＴ２、コイル導体間のスペースＷ２、第一磁性膜３１のコイル導体上の磁性膜部分の厚み（＝コイル導体断面の両側面に配置される第一磁性膜３１の基板２上の磁性膜部分の幅）Ｄ１及び第一磁性膜３１のコイル導体上の磁性膜部分の長さ（第一磁性膜３１とコイル導体１１がオーバーラップしている距離）Ｌ１は、実施例１のものと同じく、Ｔ１＝０．０２５ｍｍ、Ｗ１＝３ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍ、Ｗ２＝２ｍｍ、Ｄ１＝０．１ｍｍ、Ｌ１＝０．１ｍｍである。

【0079】

計算したコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を実施例３として表２に示す。

【0080】

さらに、送電コイル及び受電コイル共に第一磁性膜を有しない場合、すなわちコイル導体のみで磁性膜が無い場合（図９において、Ｔ１＝０．０２５ｍｍ、Ｗ１＝３ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍ、Ｗ２＝２ｍｍであるが、Ｄ１＝０ｍｍ、Ｌ１＝０ｍｍの場合に相当）についてコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を求めた。結果を比較例４として表２にまとめる。

【0081】

（第一磁性膜及び第二磁性層を有する場合）
送電コイルは、実施例２で用いたものを使用する。

【0082】

受電コイルは、基本的には実施例２と同じであり、外径ＯＤと内径ＩＤが異なる。すなわち、図１１において、受電コイルのＴ１、Ｗ１、Ｔ２、Ｗ２、Ｄ１及びＬ１は、実施例２と同じく、Ｔ１＝０．０２５ｍｍ、Ｗ１＝３ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍ、Ｗ２＝２ｍｍ、Ｄ１＝０．１ｍｍ、Ｌ１＝０．１ｍｍである。

【0083】

計算したコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を実施例４として表２に示す。

【0084】

さらに、送電コイル及び受電コイル共に、磁性膜をコイル導体断面の全周に配置した場合、すなわち、図１１においてＤ１が１ｍｍ、Ｌ１が１．５ｍｍの場合について、求めたコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を比較例５として表２に示す。

【0085】

（磁性膜をコイル導体断面の両側面のみに配置した場合）
送電コイルは、比較例３で用いたものを使用する。

【0086】

受電コイルは、基本的には比較例３と同じであり、外径ＯＤと内径ＩＤが異なる。すなわち、図１３において、受電コイルのＴ１、Ｗ１、Ｔ２、Ｗ２及びＤ２は、比較例３と同じく、Ｔ１＝０．０２５ｍｍ、Ｗ１＝３ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍ、Ｗ２＝２ｍｍ、Ｄ２＝０．１ｍｍである。

【0087】

計算したコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を比較例６として表２に示す。

【0088】

【表2】

【0089】

表２から、実施例１及び２について、比較例１～３に比べ交流抵抗が減少し、Ｑ値が高なって高周波損失が少なくなっている。

【0090】

また表２から、実施例３及び４について、比較例４～６に比べ高い伝送効率ηが得られることが分かる。

【0091】

したがって、本発明に係る伝送コイル部品を送電コイルとして、また送電コイルおよび受電コイルとして使用することにより、交流抵抗の増大を抑制し、高い伝送効率の非接触給電を実現することができることが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0092】

本発明に係る伝送コイルおよび非接触給電装置は、携帯電話等の電子機器や自動車、誘導式加熱装置の分野で利用が可能である。

【符号の説明】

【0093】

１ 伝送コイル
１１ コイル導体
２ 基板
３１ 第一磁性膜
３２ 第二磁性膜
３３ 側面磁性膜
４１ レジスト
４２ 磁性材
４３ 絶縁層
４４ めっきベース
５ 送電装置
５１ 電源
５２ 整流回路
５３ 送電回路
５４ 送電コイル
６ 受電装置
６１ 受電コイル
６２ 受電回路
６３ 充放電制御回路
６４ 二次電池
７ 携帯電子機器本体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】