JP2012049714A - アンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送と通信とを確実に両立することのできるアンテナモジュールを提供すること。
【解決手段】アンテナモジュール１０は、第１コイル１１と、第２コイル１２及び第２コイル１２に接続されたコンデンサ１３からなる共振回路とを備えている。ここで、第１コイル１１の平均外形寸法は第２コイル１２の平均外形寸法以下である。なお、平均外形寸法とは、コイルの重心から外形までの距離の平均値である。第１コイル１１は第２コイル１２と少なくとも一部が重なるように配置されている。第１コイル１１と第２コイル１２の間隔は、第２コイル１２の平均外形寸法の１／１０以下である。第１コイル１１と第２コイル１２との結合係数は０．５以上である。このように構成すると、電力伝送を行うことができる一方で、通信の際には信号の送受信を確実に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導を利用した非接触電力伝送と通信とを同じアンテナを用いて行うアンテナモジュールに関する。

電磁誘導を利用して電力を伝送する一方で通信を行う技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。これら特許文献１及び特許文献２に開示されたシステム、送電装置及び受電装置に加えて通信距離の延長するためのブースターを備えている。

特許第４３５８２４２号公報 特開２０００−１３８６２１号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示されたシステムでは通信と電力伝送とを両立できず、信号の送受信が正常に動作しない場合があった。

そこで、本発明は、電力伝送に際しては電磁誘導を利用した電力伝送を行うことができる一方で、通信の際には信号の正常な送受信を行うことの確実にできるアンテナモジュール、並びにそれを利用した通信装置及び電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、アンテナコイル及び受電コイルとして機能するコイル（第１コイル）とブースターに含まれるコイル（第２コイル）とが、それらの配置や形状等によっては逆位相で駆動されることがあり、そのために信号の送受信が正常に動作しない場合があることを見出した。そこで、本発明者らは第１コイルと第２コイルとが同位相で駆動される条件を特定し、電力伝送と通信とを確実に両立できるようにした。具体的には、本発明は以下に掲げるアンテナモジュール等を提供する。

本発明は、第１のアンテナモジュールとして、
電力伝送用回路と、通信回路と、前記電力伝送用回路及び前記通信回路に接続された第１コイルと、第２コイルを有する共振回路とを備えるアンテナモジュールであって、
重心から外形までの距離の平均値である平均外形寸法に関して、前記第１コイルの平均外形寸法は前記第２コイルの平均外形寸法以下であり、
前記第１コイルは前記第２コイルの少なくとも一部と重なるように配置されており、
前記第１コイルと前記第２コイルの間隔は、前記第２コイルの平均外形寸法の１／１０以下であり、
前記第１コイルと前記第２コイルとの結合係数は０．５以上である
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第２のアンテナモジュールとして、第１のアンテナモジュールであって、
前記電力伝送用回路及び前記通信回路の少なくとも一方は、リアクタンス成分を有しており、
前記電力伝送用回路を用いた電力伝送と前記通信回路による通信とを異なる周波数で行う
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第３のアンテナモジュールとして、第１又は第２のアンテナモジュールであって、
背面に配置された磁性体を更に備える
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第４のアンテナモジュールとして、第１乃至第３のいずれかのアンテナモジュールであって、
最背面に配置されたシールド板を更に備える
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第５のアンテナモジュールとして、第１乃至第４のいずれかのアンテナモジュールであって、
前記第１コイルを構成する第１配線の線幅をＬ１とし、前記第１配線の線間距離をＳ１とし、前記第２コイルを構成する第２配線の線幅をＬ２とし、前記第２配線の線間距離をＳ２とした場合に、下記式で示される条件を満たしているアンテナモジュールを提供する。
Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２
Ｓ１≧Ｌ１／１０
Ｓ２≧Ｌ２／１０

また、本発明は、第６のアンテナモジュールとして、第１乃至第５のいずれかのアンテナモジュールであって、
前記第１コイル及び前記第２コイルは、いずれも平面コイルである
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第７のアンテナモジュールとして、第１乃至第６のいずれかのアンテナモジュールであって、
前記電力伝送用回路として受電回路を有しており、
受電装置として機能するアンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第８のアンテナモジュールとして、第７のアンテナモジュールであって、
前記受電回路に接続されると共に前記受電回路を通じて充電される充電池を更に備えており、
前記通信回路は、通信用ＩＣと、前記受電回路を用いて前記充電池に充電する際に前記通信用ＩＣを大電力から保護する保護機能を有している
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第９のアンテナモジュールとして、第１乃至第６のいずれかのアンテナモジュールであって、
前記電力伝送用回路として送電回路を有しており、
送電装置として機能するアンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第１０のアンテナモジュールとして、第１乃至第９のいずれかのアンテナモジュールであって、
前記第１コイルと前記第２コイルとのセットを複数備える
アンテナモジュールを提供する。

また、本発明は、第１乃至第１０のいずれかのアンテナモジュールを備える非接触電力伝送システムを提供する。

更に、本発明は、第１乃至第８のいずれかのアンテナモジュールを備える通信装置を提供する。

なお、本発明は、アンテナモジュールとして、
通信回路と、前記通信回路に接続された第１コイルと、第２コイルを有する共振回路とを備えるアンテナモジュールであって、
重心から外形までの距離の平均値である平均外形寸法に関して、前記第１コイルの平均外形寸法は前記第２コイルの平均外形寸法以下であり、
前記第１コイルは前記第２コイルの少なくとも一部と重なるように配置されており、
前記第１コイルを構成する第１配線の線幅をＬ１とし、前記第１配線の線間距離をＳ１とし、前記第２コイルを構成する第２配線の線幅をＬ２とし、前記第２配線の線間距離をＳ２とした場合に、下記式で示される条件を満たしているアンテナモジュールを提供する。
Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２
Ｓ１≧Ｌ１／１０
Ｓ２≧Ｌ２／１０
かかる条件を満たしていると、第２コイルによるブースト効果を享受しつつ渦電流発生による通信特性の劣化を避けることができる。
この場合においても、前記第１コイルと前記第２コイルの間隔は、前記第２コイルの平均外形寸法の１／１０以下であり、前記第１コイルと前記第２コイルとの結合係数は０．５以上であることが好ましい。

本発明によれば、第１コイルと第２コイルの形状、サイズ及び配置などについて適切な条件を規定し、第１コイルと第２コイルとを同位相で駆動することとしたため、電力伝送と通信とを確実に両立することができる。

本発明の第１の実施の形態によるアンテナモジュールに含まれる第１コイル及び第２コイルの関係を概略的に示す図である。 図１のアンテナモジュールの回路構成を示す図である。 コイル間隔比ｄと通信距離との関係を示すグラフである。 結合係数と通信距離との関係を示すグラフである。 図１のアンテナモジュールにおける磁場分布を示す図である。 図１のアンテナモジュールにおける第１コイル及び第２コイルの断面端面を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるアンテナモジュールに含まれる第１コイル及び第２コイルの関係を概略的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態によるアンテナモジュールに含まれる第１コイル及び第２コイルの関係を概略的に示す図である。 図８のアンテナモジュールの回路構成を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照すると、本発明の第１の実施の形態によるアンテナモジュール１０は、第１コイル１１と、第２コイル１２及び第２コイル１２に接続されたコンデンサ１３からなる共振回路と、第１コイル１１に接続された電力伝送用回路１４及び通信回路１５とを備えている。具体的には、本実施の形態による電力伝送用回路１４は、受電回路であり、アンテナモジュール１０は、受電機能付き通信装置又は受電装置として機能するものである。但し、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、電力伝送用回路１４は、送電回路であってもよく、従って、アンテナモジュール１０は、送電装置として機能するものであってもよい。

本実施の形態によるアンテナモジュール１０の第１コイル１１及び第２コイル１２は、ＦＰＣやＦＲ−４基板等の平面基板上に作製されるものであるが、巻き線のみで作製することもできる。

本実施の形態によるアンテナモジュール１０は、受電回路（電力伝送用回路）１４に接続されると共に受電回路（電力伝送用回路）１４を通じて充電される充電池を更に備えている。また、通信回路１５は、通信機能を提供するための通信用ＩＣを有している。更に、本実施の形態による通信回路１５は、受電回路（電力伝送用回路）１４を用いて充電池に充電する際に通信用ＩＣを大電力から保護する保護機能も有している。

本実施の形態による第１コイル１１及び第２コイル１２は、いずれも平面コイルであり、互いに相似的な外形を有している。

第２コイル１２とコンデンサ１３からなる共振回路の共振周波数は、通信に使用される周波数帯域、即ち電力伝送にも用いられる周波数帯域に含まれている。但し、通信に用いられる周波数と電力伝送に用いられる周波数とは必ずしも一致していなくともよい。例えば、電力伝送用回路１４及び通信回路１５の少なくとも一方にリアクタンス成分を持たせることにより、電力伝送用回路１４を用いた電力伝送と通信回路１５による通信とを異なる周波数で行うこととしてもよい。なお、共振回路の共振周波数は、第２コイル１２に対してコンデンサ１３を接続することにより調整されるほか、第２コイル１２の自己共振や基板上の銅箔パターンと第２コイル１２との重なりによって生じた容量成分を利用することもできる。

ここで、本実施の形態による第１コイル１１及び第２コイル１２は、以下に掲げる形状、サイズ、配置、結合係数の条件を満たしている。

即ち、本実施の形態において、第１コイル１１の平均外形寸法は第２コイル１２の平均外形寸法以下である。ここで、平均外形寸法とは、コイルの重心から外形までの距離の平均値である。また、本実施の形態による第１コイル１１は第２コイル１２と重なるように配置されている。但し、本発明はこれに限定されるわけではなく、第１コイル１１は、第２コイル１２と一部のみが重なるように配置されていてもよい。

また、本実施の形態による第１コイル１１と第２コイル１２の間隔は、第２コイル１２の平均外形寸法の１／１０以下である。即ち、第２コイル１２の平均外形寸法に対する第１コイル１１と第２コイル１２の間隔の比である間隔比ｄは、０．１以下である。

図３に第１コイル１１と第２コイル１２の間隔比ｄに対する通信距離の関係を示す。例えば、第２コイル１２の平均外形寸法が３０ｍｍで、第１コイル１１と第２コイル１２の間隔が３ｍｍであれば、ｄ＝３／３０＝０．１となる。図３から理解されるように、間隔比ｄと通信距離の関係をみると、ｄ＝０．１以下であれば通信が可能であるが、０．２以上になると通信ができなくなる。従って、第１コイル１１と第２コイル１２の間隔は第２コイル１２の平均外形寸法の１／１０以下であることが必要である。

更に、本実施の形態による第１コイル１１と第２コイル１２との結合係数は０．５以上である。第１コイル１１と第２コイル１２とが上に列挙した条件を満たしていると、第１コイル１１と第２コイル１２が同位相で駆動されることとなるため、電力伝送を行いつつ信号の伝達を正常に行うことができる。即ち、本実施の形態によれば、電力伝送と通信とを一つのアンテナモジュールを用いて行うことができる。特に、非接触電力伝送に際しては高い伝送効率を得ることができると共に位置ズレにも強く、また通信に際しては、信号を正常に送受信することができると共に第２コイル１２によるブースト効果を享受できることから通信距離の改善も図られている。

図４に第１コイル１１と第２コイル１２の結合係数に対する通信距離の関係を示す。図４から明らかなように、結合係数が０．４２以下になると通信ができなくなることから、信頼性の高い通信を行うためには結合係数は０．５以上であることが必要である。

かかる構成を備えるアンテナモジュール１０における第１コイル１１と第２コイル１２の配置と磁場分布の関係を図５に示す。図５の磁場分布図は、より白色であるほど強い磁場が発生していることを表し、黒色に近くなるほど弱い磁場であることを表している。図５によれば、コイル銅線近傍で白色となっており、強い磁場が発生していることが分かる。更に、コイル中心の磁場分布も黒色ではなく従ってコイル中心近傍で磁場が弱くなる現象は確認されない。これは第１コイル１１と第２コイル１２とが、同位相で駆動しているためである。

図６に示すように、第１コイル１１を構成する第１配線の線幅（幅寸法もしくは線径）Ｌ１は、第２コイル１２を構成する第２配線の線幅（幅寸法もしくは線径）Ｌ２と第２配線の線間距離（配線間隔）Ｓ２の和よりも小さく、第１コイル１１を構成する第１配線の線間距離（配線間隔）Ｓ１は、第１コイル１１の第１配線の線幅Ｌ１の１／１０以上であり、第２コイル１２の第２配線の線間距離Ｓ２は、第２コイル１２の第２配線の線幅Ｌ２の１／１０以上であることが望ましい。つまり、Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２、Ｓ１≧Ｌ１／１０及びＳ２≧Ｌ２／１０の３つの式で示される条件を満たしていることが望ましい。これは、第１コイル１１及び第２コイル１２から発生する磁束の流れを互いに対向するコイルの配線（第２配線及び第１配線）によって妨げないようにすることで、それら第２配線や第１配線中で生じる渦電流損失を減らし、電力伝送効率および通信特性の劣化を軽減するためである。

上述したアンテナモジュール１０において、背面に磁性体を更に配置することとしてもよい。磁性体としては、例えば、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金及び軟磁性フェライト等の軟磁性体であって、一種類もしくは、複数の異なる透磁率を持った磁性材料を組み合わせた複合材を使用することもできる。

また、背面にシールド板を配置することとしてもよい。上述したように磁性体を配置していた場合には、更にその背面にシールド板を配置することとすればよい。シールド材としては、例えば、板状又はシート状のものを用いることができる。

（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態によるアンテナモジュール１０は、第１コイル１１と第２コイル１２及びコンデンサ１３からなる共振回路を１セットのみ備えるものであったが、本発明はそれに限定されるわけではない。

例えば、図７を参照すると、本発明の第２の実施の形態によるアンテナモジュール１０ａは、第１コイル１１と第２コイル１２及びコンデンサ１３からなる共振回路とのセットを複数備えている。

このように第１コイル１１と第２コイル１２及びコンデンサ１３からなる共振回路とのセットを複数備えることとすると、電力伝送能力を高めることができる。

なお、第１コイル１１と第２コイル１２及びコンデンサ１３からなる共振回路とのセットを複数配置する場合、隣同士に接するような配置に限定されず、重ねたり、間隔を開けたりして配置してもよい。

（第３の実施の形態）
上述した第１及び第２の実施の形態によるアンテナモジュール１０，１０ａは、非接触電力伝送と通信とを行うことを特徴とするものであったが、そこに用いられている概念は、非接触電力伝送を行わない通信システムにも適用可能である。

例えば、図８及び図９を参照すると、本発明の第３の実施の形態によるアンテナモジュール１０ｂは、第１コイル１１と、第２コイル１２及び第２コイル１２に接続されたコンデンサ１３からなる共振回路と、第１コイル１１に接続された通信回路１５とを備えている。

ここで、本実施の形態による第１コイル１１の平均外形寸法は第２コイル１２の平均外形寸法以下である。また、本実施の形態による第１コイル１１は第２コイル１２と重なるように配置されている。但し、本発明はこれに限定されるわけではなく、第１コイル１１は、第２コイル１２と一部のみが重なるように配置されていてもよい。

更に、第１コイル１１を構成する第１配線の線幅Ｌ１は、第２コイル１２を構成する第２配線の線幅Ｌ２と第２配線の線間距離Ｓ２の和よりも小さく、第１コイル１１を構成する第１配線の線間距離Ｓ１は、第１コイル１１の第１配線の線幅Ｌ１の１／１０以上であり、第２コイル１２の第２配線の線間距離Ｓ２は、第２コイル１２の第２配線の線幅Ｌ２の１／１０以上である。つまり、Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２、Ｓ１≧Ｌ１／１０及びＳ２≧Ｌ２／１０の３つの式で示される条件を満たしている。

かかる条件を満たしていることにより、それら第２配線や第１配線中で生じる渦電流損失を減らし、通信特性の劣化を軽減しつつ、第２コイル１２によるブースト効果を享受することができるため、通信距離の延長を図ることができる。

本実施の形態においても、
第１コイル１１と第２コイル１２の間隔が第２コイル１２の平均外形寸法の１／１０以下であり、且つ、第１コイル１１と第２コイル１２との結合係数が０．５以上であることが望ましい。

（実施例１）
上述した第１の実施の形態を検証するため、実施例１として、アンテナモジュール１０をＦＲ−４基板上に作製した。アンテナモジュール１０の寸法は、４０ｍｍ×３０ｍｍとした。第１コイル１１は、第２コイル１２の外側パターンと重なるように配置した。第１コイル１１は１ターン平面コイルからなり、コイルパターン幅１．５ｍｍで作製した。第２コイル１２は、３ターンコイルからなり、コイルパターン幅１．５ｍｍ、コイルパターン間隙１．０ｍｍで作製した。第１コイル１１と第２コイル１２との間隔は０．２ｍｍとし、第１コイル１１と第２コイル１２の結合係数は０．７とした。第２コイル１２には、コンデンサ１３を接続し、ＬＣ共振回路を構成した。このＬＣ共振回路の共振周波数は、１３．５６ＭＨｚに調整した。

このようにして作製したアンテナモジュール１０に対して外部の送電器から１３．５６ＭＨｚの周波数で電力を送電すると、アンテナモジュール１０における共振回路の共振周波数が１３．５６ＭＨｚに調整されているため、第２コイル１２がブースター機能を発揮して選択的且つ効率的に１３．５６ＭＨｚの電力を受電し、第２コイル１２によって受電された電力を第１コイル１１が取り出すことで受電回路１４へ電力を伝えることができる。このとき、通信回路１５では保護機能が動作しており、大電力が通信用ＩＣに伝わることがない。

一方、外部のリーダライタから信号を受け取る場合、ブースター機能を持った第２コイル１２が選択的且つ効率的に信号を受信し、この信号が第１コイル１１を介して通信回路１５へ伝達される。この際、第１コイル１１と第２コイル１２は同位相で駆動しているため、受信した信号が相殺されることがなく、正常に通信を行うことができる。なお、通信の場合、信号の授受は小電力で行われるため、通信回路１５に具備された保護機能は動作しない。

このように、本実施例によるアンテナモジュール１０においては、電力伝送を行うこともできるし、通信を行うこともできる。

（実施例２）
上述した第３の実施の形態を検証するため、実施例２として、アンテナモジュール１０ｂをＦＲ−４基板上に作製した。アンテナモジュール１０ｂの寸法は、４０ｍｍ×３０ｍｍとした。第１コイル１１は、第２コイル１２の外側パターンと重なるように配置した。第１コイル１１は１ターン平面コイルからなり、コイルパターン幅１．５ｍｍで作製した。第２コイル１２は、３ターンコイルからなり、コイルパターン幅１．５ｍｍ、コイルパターン間隙１．０ｍｍで作製した。第１コイル１１と第２コイル１２との間隔は０．２ｍｍとし、第１コイル１１と第２コイル１２の結合係数は０．７とした。第２コイル１２には、コンデンサ１３を接続し、ＬＣ共振回路を構成した。このＬＣ共振回路の共振周波数は、１３．５６ＭＨｚに調整した。

このようにして作製したアンテナモジュール１０により外部のリーダライタから信号を受け取る場合、ブースター機能を持った第２コイル１２が選択的且つ効率的に信号を受信し、この信号が第１コイル１１を介して通信回路１５へ伝達される。この際、第１コイル１１と第２コイル１２は同位相で駆動しているため、受信した信号が相殺されることがなく、正常に通信を行うことができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、部材や構成の変更があっても本発明に含まれる。例えば、アンテナの構成は図示したものに限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。また、コイルの共振周波数は、任意の周波数に設定することが可能である。すなわち、当業者であれば当然なしえるであろう各種変形や修正もまた、本発明に含まれるものである。

本発明のアンテナモジュールは、例えば、携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の携帯機器やＲＦＩＤタグなどに利用することができる。

１０，１０ａ，１０ｂ アンテナモジュール
１１ 第１コイル
１２ 第２コイル
１３ コンデンサ
１４ 電力伝送用回路（受電回路）
１５ 通信回路

Claims (12)

1. 電力伝送用回路と、通信回路と、前記電力伝送用回路及び前記通信回路に接続された第１コイルと、第２コイルを有する共振回路とを備えるアンテナモジュールであって、
   重心から外形までの距離の平均値である平均外形寸法に関して、前記第１コイルの平均外形寸法は前記第２コイルの平均外形寸法以下であり、
   前記第１コイルは前記第２コイルの少なくとも一部と重なるように配置されており、
   前記第１コイルと前記第２コイルの間隔は、前記第２コイルの平均外形寸法の１／１０以下であり、
   前記第１コイルと前記第２コイルとの結合係数は０．５以上である
   アンテナモジュール。
2. 請求項１記載のアンテナモジュールであって、
   前記電力伝送用回路及び前記通信回路の少なくとも一方は、リアクタンス成分を有しており、
   前記電力伝送用回路を用いた電力伝送と前記通信回路による通信とを異なる周波数で行う
   アンテナモジュール。
3. 請求項１又は請求項２記載のアンテナモジュールであって、
   背面に配置された磁性体を更に備える
   アンテナモジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナモジュールであって、
   最背面に配置されたシールド板を更に備える
   アンテナモジュール。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナモジュールであって、
   前記第１コイルを構成する第１配線の線幅をＬ１とし、前記第１配線の線間距離をＳ１とし、前記第２コイルを構成する第２配線の線幅をＬ２とし、前記第２配線の線間距離をＳ２とした場合に、下記式で示される条件を満たしているアンテナモジュール。
   Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２
   Ｓ１≧Ｌ１／１０
   Ｓ２≧Ｌ２／１０
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアンテナモジュールであって、
   前記第１コイル及び前記第２コイルは、いずれも平面コイルである
   アンテナモジュール。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のアンテナモジュールであって、
   前記電力伝送用回路として受電回路を有しており、
   受電装置として機能するアンテナモジュール。
8. 請求項７記載のアンテナモジュールであって、
   前記受電回路に接続されると共に前記受電回路を通じて充電される充電池を更に備えており、
   前記通信回路は、通信用ＩＣと、前記受電回路を用いて前記充電池に充電する際に前記通信用ＩＣを大電力から保護する保護機能を有している
   アンテナモジュール。
9. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のアンテナモジュールであって、
   前記電力伝送用回路として送電回路を有しており、
   送電装置として機能するアンテナモジュール。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のアンテナモジュールであって、
    前記第１コイルと前記第２コイルとのセットを複数備える
    アンテナモジュール。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のアンテナモジュールを備える非接触電力伝送システム。
12. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のアンテナモジュールを備える通信装置。