JP2012115069A

JP2012115069A - アンテナ、並びに送電装置、受電装置、および非接触通信装置

Info

Publication number: JP2012115069A
Application number: JP2010262745A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oka; 利昭岡
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】電力伝送効率を大きく低下させることなく、放出される放射ノイズを抑制できるアンテナ、並びにこのアンテナを用いた送電装置、受電装置、および非接触通信装置を提供すること。
【解決手段】平面コイル１１と、その内側に配置されたループコイル１２とからなる複合アンテナ１０を有し、ループコイル１２はその一部にコンデンサ１３を有し、平面コイル１１及び他の電気回路とは電気的に閉じられており、かつ、平面コイル１１と電磁的に結合しており、その電磁的な結合度は、ループコイル１２のインダクタンスとコンデンサ１３からなる共振回路の共振周波数にで、平面コイル１１から生ずる磁束とループコイル１２から生ずる磁束が互いに打ち消しあうことにより効率の低下が生ずるような結合度に設定されており、前記共振周波数は平面コイル１１の駆動周波数の２倍以上の周波数に調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電装置と受電装置間で行う非接触の電力伝送に係り、特に携帯電話、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に備える受電装置や、その受電装置への非接触の給電または充電を行う送電装置に好適なアンテナ、並びにそのアンテナを用いた送電装置、受電装置および非接触通信装置に関する。

電磁誘導を利用した非接触電力伝送システムにおいては、充電器などの送電側の送電装置および携帯機器などの受電側の受電装置にそれぞれコイルを設置して、それらのコイル間の電磁誘導により電力伝送が行われている。非接触ＩＣカードなどの薄型の非接触情報記録媒体とリーダライタとの間や、小型の携帯機器と送電装置との間では、単純な平面コイルが送受電用およびデータ通信用のアンテナとして用いられ、実用化されている。図６は、従来の平面コイルによるアンテナの平面図であり、電磁誘導を利用した非接触電力伝送システムにおいてアンテナとして使用されているものである。アンテナ２０は平面コイル２１から構成されている。

図６に示した従来の単純な平面コイルによるアンテナを用いた場合、送電側のアンテナと受電側のアンテナとの位置関係により、その電力伝送効率が変化してしまう。このような課題に対して、例えば、特許文献１のような手段が開示されている。

特許文献１には、給電コイルとなる平面コイルの内側に、他の回路に接続されない同調コイルと同調容量とからなる同調回路を備えたアンテナが記載されており、この同調回路を調整することにより、アンテナの同調点がアンテナの駆動周波数の範囲内に複数個現れるように設定したことを特徴とし、駆動可能な周波数範囲を広げることによって、送受電のアンテナ相互間の位置による通信効率の低下を補償可能としたアンテナが開示されている。この場合、効率の最大ピークとなる同調点が複数個生ずるためには、同調コイルと平面コイルとの結合係数が十分に小さくなるように、それらの間の距離を離す必要がある。これにより、平面コイルから生ずる磁束は同調コイルから生ずる磁束よりも十分に小さくなり、それらが互いに打ち消しあうことにより効率の低下が生ずることはない。

特開２００３−６９３３６号公報

一般的に、アンテナから発生している電磁界には、駆動周波数以外の周波数を持った放射ノイズが重畳しており、アンテナ周囲の電子機器に悪影響を及ぼすという問題がある。電磁誘導を利用した非接触電力伝送システムにおいては、充電等の電力送電動作を行う場合、アンテナから大きな電力を放出するため、この放射ノイズが顕著になるという問題がある。特にアンテナの駆動周波数の２倍以上の高調波成分のノイズを発生する場合が多い。このような送電装置からの放射ノイズや、または外部からの放射ノイズを受けた場合、電力供給が安定しないことや通信が安定しないという問題が生ずるため、送電装置側や受電装置側でこの放射ノイズを抑制する必要がある。

一方、放射ノイズを抑制するために、非接触電力伝送に使用している駆動周波数の電磁界を抑制すると、電力伝送効率に悪影響を及ぼす恐れがある。このため、これらの駆動周波数の電磁界には影響を与えないことが必要である。

特許文献１に記載の従来のアンテナでは、広い周波数帯域において通信のための電力を送電できることを特徴としているため、放射ノイズの観点で考えると、広い周波数帯域においてノイズを放射してしまうおそれが生ずる。

以上のように、非接触電力伝送システムにおいて、電力を伝送しようとした場合、アンテナから放射される電磁界に含まれる放射ノイズは小さいことが望ましい。一方、非接触電力伝送を行なうための駆動周波数の電磁界を抑制すると、電力伝送効率の低下を引き起こす懸念があるため、この駆動周波数の電磁界には影響を与えないことが必要である。

本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、電力伝送効率を大きく低下させることなく、放出される放射ノイズを抑制できるアンテナ、並びにこのアンテナを用いた送電装置、受電装置、および非接触通信装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナは、平面コイルと、前記平面コイルの内側もしくは外側に配置された少なくとも１つのループコイルとからなる複合アンテナを有し、前記複合アンテナにおいて、前記ループコイルはその一部に同調用の容量を有し、前記ループコイルは、前記平面コイル及び他の電気回路とは結線されておらず、かつ、前記平面コイルと電磁的に結合しており、前記平面コイルと前記ループコイルとの間の電磁的な結合度は、前記ループコイルのインダクタンスと前記同調用の容量からなる共振回路の共振周波数で、前記平面コイルから生ずる磁束と前記ループコイルから生ずる磁束が互いに打ち消しあうことにより効率の低下が生ずるような結合度に設定されており、前記共振回路の共振周波数は前記平面コイルの駆動周波数の２倍以上の周波数に調整されていることを特徴とする。

ここで、前記複合アンテナにおいて、前記ループコイルの開口面積が、前記平面コイルの開口面積の１／２以上の開口面積を備えることにより、前記平面コイルと前記ループコイルとの間の前記の電磁的な結合の結合度に設定されてもよい。

また、前記複合アンテナにおいて、前記ループコイルが複数個配置されていてもよく、この場合、前記複数のループコイルの少なくとも２つが、互いに異なる共振周波数を有していてもよい。

また、前記複合アンテナの片面に近接して、磁性材料からなるヨークが配置されていてもよく、前記複合アンテナの片面に近接して、電磁波を遮蔽する遮蔽板が配置されていてもよい。

また、本発明によるアンテナは、前記複合アンテナが複数個配置されていてもよい。

本発明による送電装置は、非接触電力伝送用の送電装置であって、上記のアンテナのいずれかを、非接触電力伝送用のアンテナとして使用したことを特徴とする。

本発明による受電装置は、非接触電力伝送用の受電装置であって、上記のアンテナのいずれかを、非接触電力伝送用のアンテナとして使用したことを特徴とする。

本発明による非接触通信装置は、ＲＦＩＤ用の非接触通信装置であって、上記のアンテナのいずれかを、通信用のアンテナとして使用したことを特徴とする。

本発明のアンテナによれば、アンテナから放射される電磁界のうち、ループコイルの共振周波数に対応した周波数においてのみ、平面コイルから生ずる磁束とループコイルから生ずる磁束が互いに打ち消しあうことにより電力伝送効率の低下が生ずるので、特定の周波数帯域の放射ノイズが抑制され、周囲の電子機器の誤作動を防止することができる。このアンテナを用いることにより、特定の周波数の放射ノイズの発生や受信を抑制した送電装置や受電装置、および非接触通信装置が得られる。

すなわち、本発明によれば、電力伝送効率を大きく低下させることなく、放出される放射ノイズを抑制できるアンテナ、並びにこのアンテナを用いた送電装置、受電装置、および非接触通信装置が得られる。

本発明によるアンテナの第１の実施の形態の構成を示す平面図。本発明による第１の実施の形態のアンテナおよび従来のアンテナの電力伝送効率の周波数特性のシミュレーション結果を示す図。平面コイルの内側にループコイルを設けた複合アンテナの電力伝送効率の周波数特性を、ループアンテナの平面コイルに対する開口面積比をパラメータとして示す図。平面コイルとループコイルとの間の電磁的な結合の結合係数の、ループコイルの開口面積比に対する変化を示す図。本発明によるアンテナの第２の実施の形態の構成を示す平面図。従来の平面コイルによるアンテナの平面図。従来のアンテナ２の構成を示す平面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明によるアンテナの第１の実施の形態の構成を示す平面図である。図１に示すとおり、本実施の形態のアンテナは、平面コイル１１と、平面コイル１１の内側に配置された１つのループコイル１２とからなる複合アンテナ１０を有し、複合アンテナ１０において、ループコイル１２はその一部に同調用の容量であるコンデンサ１３を有している。ループコイル１２は、平面コイル１１及び他の電気回路とは電気的に接続されていなく、かつ、平面コイル１１と電磁的に結合している。平面コイル１１とループコイル１２との間の電磁的な結合の結合度は、ループコイル１２のインダクタンスとコンデンサ１３からなる共振回路の共振周波数において、平面コイル１１から生ずる磁束とループコイル１２から生ずる磁束が互いに打ち消しあうことにより電力伝送効率の低下が生ずるような結合度に設定されており、前記共振回路の共振周波数は平面コイル１１の駆動周波数の２倍以上の周波数に調整されている。

ここで、本実施の形態においては、複合アンテナ１０において、ループコイル１２の開口面積が、平面コイル１１の開口面積の１／２以上とすることにより、平面コイル１１とループコイル１２との間の電磁的な結合の結合度が上記の条件に合致するような結合度に設定されている。

平面コイル１１とループコイル１２は、ＦＰＣ基板やＦＲ−４基板等の誘電体からなる基板上に金属薄板や金属膜などの導体線路パターンにより作製することができる。もしくは、金属線の巻き線で作製することもできる。また、平面コイル１１とループコイル１２は同一平面上に配置されていることが望ましい。

ループコイル１２による共振回路の共振周波数の設定は、ループコイル１２のコンデンサ１３の容量以外にも、基板上の表面、または基板の表裏面に設けた銅箔パターンの重なりによって生ずる容量成分を利用して調整することもできる。

本実施の形態のアンテナにおいては、複合アンテナ１０の片面に近接して、すなわち複合アンテナ１０が設置された基板の背面に磁性材料からなるヨークを配置しても良い。これにより、アンテナの効率や指向性などを向上させることができる。この場合の磁性材料は、ＮｉＺｎフェライト等の高周波でも低損失である材料が望ましい。また、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でもよい。

また、複合アンテナ１０が設置された基板の背面に、または上記の磁性材料からなるヨークの背面に電磁波を遮蔽する遮蔽板を配置しても良い。これにより、アンテナから発生する放射ノイズの方向の制御、またはアンテナから受信する放射ノイズのさらなる軽減が可能となる。

図１においては、ループコイルは１つのループコイル１２のみが設置されているが、ループコイル１２の内側、または平面コイル１１の外側に他のループコイルを複数個配置してもよく、この場合、その複数のループコイルが、互いに異なる共振周波数を有するように設定することにより複数の周波数の放射ノイズを抑制することが可能となる。

図５は、本発明によるアンテナの第２の実施の形態の構成を示す平面図である。図５に示すように、第２の実施の形態のアンテナでは、図１に示した複合アンテナ１０と同様な構造の４つの複合アンテナ１５、１６、１７、１８が縦横２列に配置されている。

ここで、図５の第２の実施の形態のアンテナでは配置された複合アンテナの数は４個であるが、本発明においては、複合アンテナを１つの単位として、その数を任意に設定することが可能であり、複合アンテナを１個ごとに取り外し可能な構造を持っていても良い。

送電装置から電力伝送できる最大送電電力は、送電装置のアンテナを構成している複合アンテナの数で調整可能である。例えば、複合アンテナ１個あたり１Ｗの電力を送電できるとすれば、複合アンテナ４個から構成されるアンテナを有する送電装置では、最大４Ｗまで送電可能となる。

また、送電装置のアンテナを構成する複数の複合アンテナのうち、励磁させる複合アンテナを選択できる制御システムを付加することで、送電装置のアンテナの一部分を使用して電力伝送を行うことも可能となる。

また、送電装置の送電電力の合計が最大送電電力以下であれば、同時に複数の受電装置への電力伝送も可能である。

受電装置の最大受電電力はアンテナを構成している複合アンテナの数で調整可能である。例えば、複合アンテナ１個あたり１Ｗの電力を受電できるとすれば、複合アンテナ４個から構成されるアンテナを有する受電装置では、最大４Ｗまで受電可能となる。

次に、第１の実施の形態のアンテナの具体的な実施例について説明する。

複合アンテナ１０において、平面コイル１１は、外形４０ｍｍ×２０ｍｍの矩形状の基板上に入るように形成し、平面コイルを構成する線路パターン幅を０．７ｍｍ、線路パターン間隙を０．３ｍｍ、巻き数を４Ｔとして作製する。ループコイル１２は、平面コイル１１の開口面積の２／３倍の開口面積を持ち、線路パターン幅を０．４ｍｍとして作製する。平面コイル１１とループコイル１２は同一基板面上に作製する。ループコイル１２はコンデンサ１３と接続されることにより、ループコイル１２のインダクタンスとコンデンサ１３の容量からなる共振回路が形成され、その共振周波数が２００ＭＨｚ近傍となるように調整されている。なお、平面コイル１１は駆動周波数が１３．５６ＭＨｚの非接触電力伝送システム用のアンテナとして適合するものである。

ここで、磁性材料であるＮｉＺｎフェライトを用いてヨークを構成し、その外形を４０ｍｍ×２０ｍｍの矩形状、厚みを０．３ｍｍとし、複合アンテナ１０を設置した基板の裏面に配置する。

以上のように構成した、本実施の形態のアンテナについて，その動作を説明する。平面コイル１１に電流を流した場合、その電流の周波数が、ループコイル１２からなる共振回路の共振周波数と一致した場合にのみ、ループコイル１２は電磁誘導によって励磁され、平面コイル１１から発生する磁束とは逆向きの磁束を発生させる。このため、平面コイル１１から発生した磁束を、ループコイル１２によって相殺することができ、電磁界の放射を抑制することができる。また、平面コイル１１に流した電流の周波数が、ループコイル１２の共振周波数と一致しない場合には、ループコイル１２は励磁されないため、平面コイル１１から発生した電磁界は影響を受けない。

図２は、本発明による第１の実施の形態のアンテナおよび従来のアンテナの電力伝送効率の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。ここで、本実施の形態のアンテナとして上記の実施例の形状のアンテナ（本実施の形態のアンテナ１とする）の周波数特性を示す。また、比較のための従来のアンテナとしては、上記の実施例の平面コイルと同一形状の平面コイルのみを備えたアンテナ（図６の従来のアンテナ１とする）と、上記の実施例の平面コイルと同一形状の平面コイルおよびその平面コイルの開口面積の１／１２の開口面積を有するループコイルを平面コイルの内側に備えたアンテナ（図７の従来のアンテナ２とする）の周波数特性を示す。図７は、従来のアンテナ２の構成を示す平面図である。ループコイル３２の開口面積は平面コイル３１の開口面積の１／１２となっている。これにより、平面コイル３３とループコイル３２との間の電磁的な結合の結合度、すなわち結合係数は本実施の形態のアンテナ１よりも小さくなっている。また、ループコイル３２の共振周波数は、コンデンサ３３により２００ＭＨｚに調整されている。

図２に示すように、本実施の形態のアンテナと、従来のアンテナ１とを比較すると、本実施の形態のアンテナではループコイル１２が持つ共振周波数２００ＭＨｚ付近において、電力伝送効率が著しく低下している。このことから、本実施の形態のアンテナは、ループコイルが持つ共振周波数において、平面コイル１１から発生している電磁場が、ループコイル１２によって相殺され、放射され難くなっていることがわかる。すなわち、２００ＭＨｚ付近のノイズが本実施の形態のアンテナに入力された場合、このノイズはループコイル１２によって相殺され、放射が抑制されることがわかる。

また、本実施の形態のアンテナと従来のアンテナ２とを比較すると、従来のアンテナ２では、本実施の形態のアンテナに比べて２００ＭＨｚ付近の電力伝送効率の低下量が小さいことから、電磁場の相殺効果が小さいことがわかる。また、従来のアンテナ２では、７００ＭＨｚ以上の周波数帯域において、本実施の形態のアンテナや従来のアンテナ１に比べて電力伝送効率が増大していることから、この周波数帯域における放射ノイズはむしろ大きくなってしまう。

図３は、平面コイルの内側にループコイルを設けた複合アンテナの電力伝送効率の周波数特性を、ループアンテナの平面コイルに対する開口面積比をパラメータとして示す図である。すなわち、平面コイルの開口面積に対するループコイルの開口面積の比をそれぞれ２／３、１／２、１／４、１／１２として、それぞれのループコイルの共振周波数を２００ＭＨｚに調整した場合の電力伝送効率の周波数特性を示すものである。上述のように、図２の本実施の形態のアンテナ１のループコイルの開口面積比は２／３に相当し、従来のアンテナ２のループコイルの開口面積比は１／１２に相当する。

図４は、平面コイルとループコイルとの間の電磁的な結合の結合係数の、ループコイルの開口面積比に対する変化を示す図である。ここでは、ループコイルの共振周波数における結合係数を示している。平面コイルとループコイルの結合係数は、本実施の形態のアンテナ１が０．３２、従来のアンテナ２が０．０５である。

図３からわかるように、ループコイルの２００ＭＨｚの放射ノイズの抑制効果は、ループコイルの開口面積比が１／２や２／３のときは大きく、１／１２では小さい。また、ループコイルの開口面積比が１／４や１／１２のときは、９００ＭＨｚ帯域での電力伝送効率を他のアンテナに比べて増大させており、この周波数帯域の放射ノイズを発生させやすくしている。図４に示すループコイルの開口面積比と結合係数の関係から、複合アンテナの平面コイルとループアンテナの結合係数が大きいほど、放射ノイズ抑制効果が高く、結合係数が小さいと、２００ＭＨｚ付近の放射ノイズ抑制効果が小さいだけでなく、他の高周波帯域での放射ノイズが増大する。

上記のような高周波帯域における放射ノイズの増大は、ループコイルの開口面積比が１／４、１／１２の場合に顕著である。一方、ループコイルの開口面積比が２／３、１／２の場合には、放射ノイズの増大は見られない。このことから、放射ノイズを抑制するためには、ループコイルの開口面積比は１／２以上であることが必要である。

上記のような本実施の形態のアンテナを非接触電力伝送用の送電装置や受電装置に適用することにより、電力伝送効率を大きく低下させることなく、アンテナから放出される放射ノイズが抑制された送電装置や受電装置が得られる。また、ＲＦＩＤ用の非接触通信装置において、本実施の形態のアンテナを通信用のアンテナとして使用することにより、放射ノイズの影響を軽減した非接触通信装置が得られる。

以上、本発明の実施の形態や実施例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や実施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可能である。例えば、複合アンテナの構成は図１に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を施して実施することが可能である。また、ループ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。

１０、１５、１６、１７、１８、３０複合アンテナ
１１、２１、３１平面コイル
１２、３３ループコイル
１３、３３コンデンサ
２０アンテナ

Claims

平面コイルと、前記平面コイルの内側もしくは外側に配置された少なくとも１つのループコイルとからなる複合アンテナを有し、前記複合アンテナにおいて、前記ループコイルはその一部に同調用の容量を有し、前記ループコイルは、前記平面コイル及び他の電気回路とは結線されておらず、かつ、前記平面コイルと電磁的に結合しており、前記平面コイルと前記ループコイルとの間の電磁的な結合度は、前記ループコイルのインダクタンスと前記同調用の容量からなる共振回路の共振周波数で、前記平面コイルから生ずる磁束と前記ループコイルから生ずる磁束が互いに打ち消しあうことにより効率の低下が生ずるような結合度に設定されており、前記共振回路の共振周波数は前記平面コイルの駆動周波数の２倍以上の周波数に調整されていることを特徴とするアンテナ。
前記複合アンテナにおいて、前記ループコイルの開口面積が、前記平面コイルの開口面積の１／２以上の開口面積を備えることにより、前記平面コイルと前記ループコイルとの間の前記の電磁的な結合の結合度に設定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記複合アンテナにおいて、前記ループコイルが複数個配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ。
前記複数のループコイルの少なくとも２つが、互いに異なる共振周波数を有することを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
前記複合アンテナの片面に近接して、磁性材料からなるヨークが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ。
前記複合アンテナの片面に近接して、電磁波を遮蔽する遮蔽板が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ。
前記複合アンテナが複数個配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアンテナを、非接触電力伝送用のアンテナとして使用したことを特徴とする送電装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアンテナを、非接触電力伝送用のアンテナとして使用したことを特徴とする受電装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアンテナを通信用のアンテナとして使用したことを特徴とする非接触通信装置。