JP6600810B2 - 非接触充電機能を有する通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、主に口腔内で使用するウェアラブル通信機器に関する。

近年、無線端末において、非接触で電力を伝送することにより電池の充電（非接触充電）を行う機能や、近距離無線通信（ＮＦＣ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）機能を搭載させる需要が高まっている。非接触充電や近距離無線通信機能は、一般に、それぞれコイルを用いて実現される。そのため、機器内に複数のコイルを共存させる必要があるが、単純に複数のコイルを近接させた場合、コイル間の電磁結合によって電力伝送効率、通信距離などの性能が劣化するという課題がある。

そこで、近距離無線通信用コイルと非接触充電コイルの２つのコイルを共存させる例として、特許文献１では、基板上に第１磁性体、第１コイル、第２磁性体、第２コイルの順に積層して配置する構成が開示されている。この構成により、コイル間の電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化が抑制される。

特開２０１３−９８８４６号公報

特許文献１の近距離無線通信用コイルは、携帯電話端末、スマートフォン等の携帯無線端末を対象としているため、比較的広いスペースを使用して機器を構成することができる。それに対して、本発明で対象とするような口腔内に設置するウェアラブル通信機器では、複数のコイルだけではなく、電池や、その他の電子機器等をも含めた構成要素をモジュール化する必要があり、さらなる小型化が必要である。

また、特許文献１の近距離無線通信用コイルは、基板上に配置されている電子部品が電磁波ノイズを発生する電子部品を含む場合、電磁波ノイズが磁性体を通じて、コイルに伝播して、無線通信の品質劣化を招く可能性がある。

本発明が目的とするところは、口腔内等の狭い空間内において使用するために、小型化し、電磁波ノイズ源となる電子部品が発する電磁波ノイズの影響を抑制した通信機器を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、第１の面、前記第１の面と垂直の第２の面、を有する基板と、第１の面側に配置された磁性体シートと、磁性体シート上に配置された第１のコイルと、第２の面側に配置された第２のコイルと、第１の面上に配置された少なくとも１つ以上のノイズ発生電子部品と、を備え、平面視において、磁性体シートは、第２のコイルと重なり部分を有し、かつ電子部品は、磁性体シートから露出している。

本発明により、小型化・薄型化を実現し、かつノイズ伝播の抑制により安定した無線通信を行う口腔内通信機器を提供することができる。

実施の形態１における通信機器を示す概略図 実施の形態１における基板の第１の面側からみた概略斜視図 実施の形態１における基板の第３の面側からみた概略斜視図 実施の形態１における基板の上面図 実施の形態１の別の態様における基板の上面図 実施の形態１における通信機器の上面図 実施の形態１における通信機器の底面図 実施の形態１の別の態様における通信機器の上面図 実施の形態１の別の態様における通信機器の上面図 実施の形態１の別の態様における通信機器の上面図 実施の形態１における通信機器と充電機器を組み合わせた状態の概略図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜図５を用いて、実施の形態１を説明する。

図１は、通信機器１０の概略図である。ここで、図１の概略図は、基板１１を、図２Ａにおいて矢印方向からみた図である。図２Ａは、基板１１の第１の面１１Ａ方向からみた概略斜視図である。図２Ｂは、基板１１の第３の面１１Ｂ方向からみた概略斜視図である。図３Ａ、図３Ｂは、第１の面１１Ａ側からみた基板１１の上面図である。図４Ａは、通信機器１０の上面図であり、図４Ｂは、通信機器１０の底面図である。図４Ｃ〜図４Ｅは、実施の形態１の別の態様における通信機器１０の上面図である。図５は、通信機器１０と充電機器２０を組み合わせた状態の概略図である。

なお、以下の説明において、平面図（または平面視）とあるのは、上面（または底面）方向からみた図のことをあらわすものであるとする。

［基板１１の説明］
基板１１は、平面図の外形形状が略直方体形状である電子回路用プリント基板である。図２Ａ、図２Ｂに示すように、略直方体形状の６面のうち、第１の面１１Ａ〜第４の面１１Ｄの４面の側に通信機器１０の構成部品が実装される。ここで、第１の面１１Ａはプリント基板の表面であり、第３の面１１Ｂは、第１の面１１Ａに対向する面である。第２の面１１Ｃは、第１の面１１Ａと垂直な面であり、第１の面１１Ａの長手方向を含む。第４の面１１Ｄは第２の面１１Ｃに対向する面である。基板１１を含む通信機器１０が口腔内で装着されることを考慮すると、基板１１の長手方向の長さは約２５ｍｍで構成されることが好ましい。

基板１１の第１の面１１Ａ〜第４の面１１Ｄには、通信機器１０を構成する部品が実装される。本実施の形態においては、各面には下記の構成部品が設けられる。
・第１の面１１Ａ側：第１の磁性体シート１５と第１のコイル１２
・第２の面１１Ｃ側：第２のコイル１４
・第３の面１１Ｂ側：第２の磁性体シート１６と第３のコイル１３
・第４の面１１Ｄ側：電池１７
ここで、図３Ｂのように、第２の面１１Ｃ側、及び第４の面１１Ｄ側に、第１の切り欠き部１１Ｅ、第２の切り欠き部１１Ｆをそれぞれ設けて、第２のコイル１４を第１の切り欠き部１１Ｅに、電池１７を第２の切り欠き部１１Ｆに配置するのが好ましい。この構成により、基板１１を含む通信機器１０をさらに小型化することができる。

ところで、本実施の形態では、第２のコイル１４の長手方向の長さは、電池１７の長手方向の長さに比べて短い。そのため、第１の切り欠き部１１Ｅの長さを、第２のコイル１４の長手方向の長さに適合するように構成すると、第２の切り欠き部１１Ｆの長さより小さくすることができる。

上記のように構成することにより、第２の面１１Ｃ側（図３Ｂにおける左側）の角部に余剰スペースが生じ、これをさらに削減することで小型化することができる。すなわち、図３Ａのように、図３Ｂに２箇所の第３の切り欠き部１１Ｇを設けることができる。この構成により、基板１１を含む通信機器１０をさらに小型化し、口腔内に設置しやすい形状とすることが可能である。

以降の説明においては、基板１１は、図３Ａの形状のものをあらわすものとする。

［通信機器１０の構成］
図１に示すように、通信機器１０は、電子回路プリントである基板１１、基板１１の第１の面１１Ａ側に配置される第１の磁性体シート１５、第１の磁性体シート１５上に配置される非接触充電を行うための第１のコイル１２、第２の面１１Ｃ側に配置された、近傍磁界誘導を行うための第２のコイル１４、基板１１の第１の面１１Ａ上に配置される、例えばマイコン等の電子部品１８、を備える。

さらに、通信機器１０は、第３の面１１Ｂ側に配置される第２の磁性体シート１６、
第２の磁性体シート１６上に配置される近距離無線通信を行うための第３のコイル１３、
第４の面１１Ｄ側に配置された電池１７、を備えてもよい。

第１のコイル１２は、第１の磁性体シート１５の図１における上面側に略平行（−１０〜＋１０度程度の角度で交差してもよい）に配置される。

第３のコイル１３は、第２の磁性体シート１６の図１における下面側に略平行（−１０〜＋１０度程度の角度で交差してもよい）に配置される。

したがって、第１のコイル１２の軸Ｘと第３のコイル１３の軸Ｙは、互いに略平行（−２０〜＋２０度程度の角度で交差してもよい。より好ましくは、−１０〜＋１０度程度の範囲を満たすことが望ましい。）となる。さらに、軸Ｘ、軸Ｙは、第２のコイル１４の軸Ｚ（図４Ａに記載）と、それぞれ略直交（約７５度〜１０５度程度）に交差している。

以上のように構成することにより、口腔内で使用可能な程度に小型化した通信機器を構成することができる。

［第１のコイル１２の説明］
本実施の形態において、第１のコイル１２は、例えば、非接触充電を目的とした電力伝送通信用のコイルである。第１のコイル１２は、導体が楕円環状に巻回されてなる薄型のコイルで、第１のコイル１２は、図５に示すように、充電機器２０の給電部２１に、対向するように配置される。

ここで、非接触充電において、受電側のコイル近傍に金属（電池筐体やプリント基板等）があると、給電側（充電機器）からの磁束変化に抗するように渦電流が流れて、反作用磁束が生じる。この渦電流により誘導過熱が発生すること、および反作用磁束により正常なワイヤレス給電ができなくなることがあることが一般に知られている。

そこで、第１のコイル１２は、第１の磁性体シート１５の図１における上側に配置される。図４Ａに示すように、第１の磁性体シート１５の面積は、第１のコイル１２の面積よりも大きくなるように構成される。

この構成により、送電側からの磁束を第１の磁性体シート１５に集中させ、渦電流を抑制することができる。これにより発熱を抑制する。また磁気損失が少なくなるため、受電側の充電効率が高まる。

［第３のコイル１３の説明］
本実施の形態において、第３のコイル１３は、例えば、機器のペアリングを目的とした、１３．５６ＭＨｚ帯域の電波を使用した近距離無線通信（ＮＦＣ）用のコイルである。第３のコイル１３は、導体が楕円環状に巻回されてなる薄型のコイルで、第３のコイル１３の直径は、第１のコイル１２より小さく構成される。

ここで、近距離無線通信（ＮＦＣ）において、受信側のコイル近傍に金属（電池筐体やプリント基板等）があると、送信側（リーダーライター）からの磁束変化に抗するように渦電流が流れて、反作用磁束が生じる。この反作用磁束により、通信に必要な磁界が抑制され、通信不良を招くことがあることが一般に知られている。

そこで、第３のコイル１３は、第２の磁性体シート１６の図１における下側に配置される。さらに、図４Ｂに示すように、第２の磁性体シート１６の面積は、第３のコイル１３の面積よりも大きくなるように構成される。

この構成により、リーダーライターからの磁束を第２の磁性体シート１６に集中させ、渦電流を抑制することができる。これにより磁気損失が少なくなるため、通信距離が改善する。

［第２のコイル１４の説明］
本実施の形態において、第２のコイル１４は、例えば、近傍磁界誘導（ＮＦＭＩ：Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）通信用のコイルである。口腔内に配置された通信機器１０と、口腔外に配置した無線装置（図示なし）との間の近傍磁界誘導（ＮＦＭＩ）通信が行われる。第２のコイル１４は、軸方向に長いコイルである。

ところで、第３のコイル１３と同様の効果を得るために、第２のコイル１４にも専用の磁性体シートを設けることが好ましい。しかしながら、本実施の形態においては、新たな専用の磁性体シートを設けることなく、第１の磁性体シート１５を共有することで実現する。

具体的には、第２のコイル１４は、第１の磁性体シート１５の図１における下部に配置され、第２の磁性体シート１６の上部に配置される。図４Ａに示すように、第２のコイル１４は第１の磁性体シート１５で部分的に覆われている。

この構成により、部品点数が削減し、スペースの有効利用がはかれるため、通信機器１０を小型化することができる。また、部品を新設する必要がないため、低コスト化にもつながる。

なお、第２のコイル１４は、第１の磁性体シート１５に加えさらに、図４Ｂに示すように、第２の磁性体シート１６で部分的に覆われていてもよい。第２のコイル１４が、第１の磁性体シート１５、第２の磁性体シート１６で覆われることにより、コイルを通過する磁束の向きを制御することができるため、近傍磁界誘導（ＮＦＭＩ）通信用のアンテナの軸方向の指向性が高くなる効果も見込まれる。

なお、図４Ａ、図４Ｂには、第２のコイル１４は第１の磁性体シート１５、第２の磁性体シート１６により、部分的に覆われている図を示しているが、第２のコイル１４の全体を覆っていてもよい。これにより、指向性はさらに向上する。

［電池１７の説明］
本実施の形態で用いる電池１７は略円筒形の二次電池である。電池１７の長手方向が、基板１１の長手方向と略平行となるように、基板１１の第４の面１１Ｄ側の端部に配置される。本実施の形態では、図３Ａの第２の切り欠き部１１Ｆに配置される。

本実施の形態では、一例として、電池１７は、直径約４ｍｍ、長さが約２０ｍｍのピン形リチウムイオン電池が用いられるが、これに限定するものではないことはいうまでもない。

ところで、電池１７の筐体が磁性体の場合、誘導加熱により電池１７の温度上昇が発生する可能性がある。そこで本実施の形態では、電池１７は、図１に示すように第１の磁性体シート１５と第２の磁性体シート１６の間に配置される。平面図においては、図４Ａ、図４Ｂに示すように、第１の磁性体シート１５、第２の磁性体シート１６がそれぞれ電池１７の側面を覆うように構成される。

これにより、電池１７の筐体を通過する磁力線の密度が下がり、誘導過熱の影響が低減し、電池１７の温度上昇を抑えることができる。

以上のように、電池１７を第１の磁性体シート１５、第２の磁性体シート１６で覆う構成にすることにより、電池１７用に別途の磁性体シートを用いる必要がないため、通信機器１０を低コストで小型化、薄型化することができる。

なお、図４Ａ、図４Ｂでは、電池１７の一部を覆う様子を示しているが、完全に覆ってしまってもよい。これにより、電池１７の温度上昇の抑制効果はさらに高まる。

なお、本実施例では、電池１７を第１の磁性体シート１５と第２の磁性体シート１６で覆っている例を示したが、前述のように、第１のコイル１２の直径は、第３のコイル１３より大きく構成されているため、誘導過熱の影響は第１のコイル１２による方が大きい。したがって、第１の磁性体シート１５のみが電池１７の側面を覆うように構成されてもよい。

［電子部品の説明］
図１における電子部品１８には、例えばマイコンのような電子部品の他に、例えばＤＣ／ＤＣコンバーターのような相対的に電磁波ノイズをより多く発生する電子部品が含まれる。これらの電子部品は、図４Ａ〜図４Ｅにノイズ発生電子部品１８Ａとして示される。

ノイズ発生電子部品１８Ａに第１の磁性体シート１５が近接している場合、電磁波ノイズは第１の磁性体シート１５を伝播し、第２のコイル１４に伝わる。その結果、近傍磁界誘導（ＮＦＭＩ）通信時の通信品質の低下を招く。そこで、図４Ａに示すように、ノイズ発生電子部品１８Ａは、第１の磁性体シート１５に接触しないように配置される。同様に、ノイズ発生電子部品１８Ａが、基板１１の図１における下側に配置される場合は、近距離無線通信（ＮＦＣ）時の通信品質の低下を抑制するため、図４Ｂに示すように、第２の磁性体シート１６に接触しないように配置される。

ところで、通信機器１０は口腔内で使用されるサイズであるため、基板１１上で電子部品の配置を自由に変更できるほど十分なスペースがあるとは限らない。そこで、第１の磁性体シート１５を切り欠くことで、ノイズ発生電子部品１８Ａが、平面視において、第１の磁性体シート１５から露出するようにしてもよい。図４Ｃ、図４Ｄに、第１の磁性体シート１５を切り欠くことによって、ノイズ発生電子部品１８Ａを露出させる例を示す。また、図４Ｅのように、第１の磁性体シート１５から所定の領域を切り抜くことによって、ノイズ発生電子部品１８Ａを露出させてもよい。

以上のように構成されることにより、ノイズ発生電子部品１８Ａが発する電磁波ノイズは、第１の磁性体シート１５を介して伝達されにくくなる。これにより、非接触充電の効率を高め、安定した無線通信を実現することができる。

なお、第２の磁性体シート１６に関しても、同様に、切り欠きや切り抜きを施して、ノイズ発生電子部品１８Ａを露出させてもよい。

［磁性シートの説明］
第１の磁性体シート１５、第２の磁性体シート１６として、Ｎｉ−Ｚｎ系のフェライトシート、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトシート、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトシートなどを使うことができる。一般に、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトシートは低周波数帯においては高効率となり、Ｎｉ−Ｚｎ系のフェライトシートは高周波において高効率であることが知られている。従って、本実施の形態においては、約１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚで電力伝送を行う非接触充電用の第１の第１の磁性体シート１５をＭｎ−Ｚｎ系フェライトシートで構成し、約１３．５６ＭＨｚで通信を行う近距離無線通信（ＮＦＣ）用の第２の磁性体シート１６をＮｉ−Ｚｎ系フェライトシートで構成する。

なお、本実施の形態においては、磁性体材料としてフェライトを用いた例を示したが、同様の特性を示せば他の材料を用いてもよい。

本発明によれば、複数のコイルおよび電池等が基板上に一体に構成される小型通信機器、特に口腔内で使用される骨伝導聴覚システム等の様々なウェアラブル機器に有用である。

１０ 通信機器
１１ 基板
１１Ａ 第１の面
１１Ｂ 第３の面
１１Ｃ 第２の面
１１Ｄ 第４の面
１１Ｅ 第１の切り欠き部
１１Ｆ 第２の切り欠き部
１１Ｇ 第３の切り欠き部
１２ 第１のコイル
１３ 第３のコイル
１４ 第２のコイル
１５ 第１の磁性体シート
１６ 第２の磁性体シート
１７ 電池
１８ 電子部品
１８Ａ ノイズ発生電子部品
２０ 充電機器
２１ 給電部

Claims (3)

1. 第１の面、前記第１の面と垂直の第２の面、を有する基板と、
   前記第１の面側に配置された磁性体シートと、
   前記磁性体シート上に配置された第１のコイルと、
   前記第２の面側に配置された第２のコイルと、
   前記第１の面上に配置された少なくとも１つ以上のノイズ発生電子部品と、
   を備え、
   平面視において、
   前記磁性体シートは、前記第２のコイルと重なり部分を有し、かつ
   前記電子部品は、前記磁性体シートから露出している、
   通信機器。
2. 前記第１のコイルは、非接触充電用コイルであり、
   前記第２のコイルは、近傍磁界誘導用コイルである、
   請求項１に記載の通信機器。
3. 前記基板は、前記第２の面の反対側の第３の面を有し、
   前記第３の面側に電池が配置され、
   平面視において、
   前記磁性体シートは、前記電池と重なり部分を有し、かつ
   前記電子部品は、前記磁性体シートから露出している、
   請求項２に記載の通信機器。
   

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