JP2007537637A - 誘導エネルギー伝送用アンテナ装置およびこのアンテナ装置の使用方法 - Google Patents

Abstract

アモルファスフレークまたはナノ結晶フレークとプラスチック鋳造材とを含んだ複合材から成る磁気コアを用いてエネルギーを誘導伝送するためのアンテナ装置であって、効率的なエネルギー伝送に適した磁気特性を、高い破壊靱性と小サイズとを実現したうえで生じさせることができる。

Description

本発明は、開放型磁気コアと巻線とを備えたアンテナ装置に関する。

本発明は、誘導エネルギー伝送に利用される磁場アンテナの分野に属する。エネルギーおよび情報を電気双極子または磁気双極子を用いて伝送することは基本的に可能である。この場合、制御回路に応じて、電磁波が発生する場合も主として電場または磁場だけが発生する場合もある。たとえばアンテナ周辺の有機組織への影響を避けるには、電磁波を放射するのではなく、磁場の発生に限定するのが望ましい場合がある。特に、磁場の放射或いは磁気アンテナに対する誘導結合により、比較的高いエネルギーを電気結合なしに伝送させることができる。この種の結合の作用はほぼ１ｍ以下の狭い空間範囲に限られている。それにもかかわらず、この種の伝送には種々の適用可能性がある。

その際、原理的には、圧縮磁気コアとして通常の軟質フェライト以外に周知の軟磁性粉末複合材を使用することができる。軟磁性粉末複合材はたとえば鉄粉から成ることができる。この種の磁気コアにより、およそ１０〜３０の有効透磁率を達成できる。これに対応して達成可能な飽和磁気誘導はおよそ１．０Ｔないし１．４Ｔ程度である。さらに、軟磁性結晶質の鉄・アルミニウム・珪素合金と鉄・ニッケル合金とから成る粉末複合材が知られており、この粉末複合材により１００ｋＨｚを越える程度の適用周波数を達成できる。

この種の複合材およびフェライトの欠点は、圧縮技術が簡単な幾何学的形状しか可能にしないこと、生じる磁気コアは比較的もろく、破損の危険があることである。さらに、対応する磁気特性は温度に強く依存しており、共振回路の使用を困難にしている。

独国特許出願公開第１９８４６７８１Ａ１号明細書からは、射出成形可能なプラスチックとナノ結晶合金から射出成形方法で製造される磁気コアが知られている。

対応するナノ結晶合金は、たとえば欧州特許出願公開第０２７１６５７Ａ２号明細書および欧州特許出願公開第０４５５１１３Ａ２号明細書から知られている。この種の合金はたとえば高速固化技術を用いて薄い合金帯の形状で製造され、合金帯は当初非晶質であるが、ナノ結晶構造を生成させるために熱処理される。この種の合金は２ｍｍよりも小さな粉径を持つ合金粉に粉砕することができる。特に、１個の粒子につき０．０１ｍｍ〜０．０４ｍｍの厚さと０．０４ｍｍ〜１ｍｍの幅または長さとを持ついわゆるフレークが発生する。このフレークは合成樹脂を用いて複合材へ加工することができ、加工した複合材においては、０．５テスラよりも大きな飽和磁化と、１０〜２００の透磁率とを実現できる。この種の磁気コアの製造方法はたとえば国際公開第０１９１１４１Ａ１号パンフレットに示されている。

欧州特許出願公開第０７６２５３５Ａ１号明細書からは、トランスポンダ用のアンテナが知られている。このアンテナも同様に軟磁性の粉末複合材から成り、たとえばアモルファス合金から成っている。そこでは、この種のアンテナは情報交換用に使用されている。この場合重要なことは、数メートルの空間範囲内で情報交換がフェールセーフ動作すること、およびアンテナ周辺の金属対象物に対する故障発生度が少ないことである。

そこで、本発明の課題は、エネルギーを誘導伝送する際に使用するアンテナ装置を提供することである。

本発明は、近接場範囲内での効率的なエネルギー伝送と、エネルギーを誘導的に伝達させる対象である受信機に対するアンテナ装置の正確な位置決めに関係のない信頼性のある動作とを目的としている。このためには特定の磁気特性を設定する必要があり、特に適切な放射パターンを備えた十分な磁束を設定することがアンテナ装置においては必要である。

この種のアンテナ装置を用いることにより、送信機から受信機へほぼ０．５ｃｍ〜５０ｃｍの距離にわたっておよそ１Ｗ〜１００Ｗのパワーを伝送させる必要がある。その適用例は、ワイヤーレスで一時的にまたは継続的にエネルギーを供給しなければならないすべての機器である。この場合、もっぱら誘導結合であるために、１０ｋｈｚ〜１５０ｋｈｚの周波数範囲がこの周波数帯の可用性と次元的境界条件との故に特に適している。さらに、少なくとも２０μＷｂの磁束が磁気コア内に実現されるべきである。

本アンテナ装置において使用されるようなアンテナは、ほとんどの場合共振回路の誘導部分であるので、エネルギー放射を最適化するには、動作周波数の範囲で少なくとも５０の高いアンテナフィールドゲイン、有利には１００のアンテナフィールドゲインが望ましい。さらに、温度に依存しない透磁率が必要である。このような透磁率は、最適な磁束案内のために３０と２００の間にある。透磁率がこれよりも高ければ、コア内での磁束の集束性が優って、非常にわずかな磁束成分しかコアから側方へ流出せず、コアに沿った場の強さ、すなわち受信機範囲内での場の強さがかなり不均一になる。

本発明の基礎となっている課題は、公知の磁気装置、磁気コア、材料では満足に解決することはできない。

前記課題は、本発明によれば、請求項１に記載の装置と、この種の装置を請求項１３にしたがって使用する使用方法とにより解決される。本発明の思想の構成および更なる改良形は従属項の対象である。

本発明によれば、磁気コアは、複合材として、微細分散粒子から成る軟磁性成分とプラスチック成分とを含み、この場合磁気コアは、２０〜２００の有効初透磁率と、０．６Ｔを超える飽和磁気誘導とを有している。

軟磁性成分は、ナノ結晶材から成るすでに述べたフレークから構成されているのが有利である。ナノ結晶材はおよそ１Ｔ〜１．６Ｔの飽和磁化と、３０，０００を超える透磁率とを有している。プラスチック成分と混合させることにより、磁気回路はフレーク間の顕微鏡的隙間によって中断され、高いゲインと温度一定のもとで３０ないし１００のより低い有効透磁率が生じる。それにもかかわらず、０．６Ｔよりも大きな達成可能な高い磁束密度、典型的には０．９Ｔよりも大きな磁束密度も得られる。さらに、磁気コアの軟磁性成分は、粒子がそれぞれ個別に表面層により電気的に絶縁されているという性質を持っているのが有利である。これはたとえば表面酸化またはプラスチックコーティングにより実現されていることができる。粒径は２ｍｍ以下であるのが有利であり、この場合粒子厚は０．５ｍｍよりも小さくてよい。粒子をこのように構成することにより、特に少ないヒステリシス損が達成され、よってアンテナの特に高いゲインが達成される。機械的特性は、使用するプラスチックの種類および成分量に応じて、破壊靱性および可撓性並びにその温度依存性に関し調整可能である。

プラスチック成分としては、一般的に、注型樹脂技術の枠内で加工可能なポリアミド、ポリアクリラート、ポリアセテート、ポリイミドのようなすべての熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂、或いはエポキシ樹脂を、所望の機械的特性および熱的特性に応じて選択することができる。

最も簡単なケースでは、アンテナ装置は、磁気コアとして、巻線部を備えた棒または板を有している。装置をエネルギーの効率的な伝送のために使用できるようにするには、特定のコア横断面が必要である。コア内に少なくとも２０μＷｂの平均磁束を達成させる場合には、０．５ｃｍ²の横断面で４００ｍＴの誘導が生じる。これは、軟質フェライトを使用する際に必要な横断面のほぼ半分に相当する。

この場合、磁束を高めるために磁気コアを効率的に利用できるようにするには、巻線のコイル長は巻線の径以上、好ましくは径よりも大きくするべきである。本発明にしたがって使用される材料の主要な性質は、衝撃または振動に対して機械的に不感性であり、且つ製造にあたっての自由な成形性或いは爾後の可撓性である。本発明にしたがって使用される材料は、その磁気的性質の故に、コスト上の理由、スペース上の理由、デザイン上の理由から多くの適用分野において望ましいような小型のサイズを可能にする。

アンテナ装置の所望の放射パターンまたは磁束案内を実現するには、同じ磁気コアに複数の巻線が配置され、これら巻線の縦軸線が互いに０゜を超える角度、たとえば９０゜の角度にあるのが有利である。同時に、誘導エネルギー伝送が種々の位置で受信機に及ぶようにするには、前記巻線は位相をずらして、或いは交互に制御されてよい。これによりエネルギー伝送はより確実になり、送信機と受信機との相対位置に関しいっそう影響を受けなくなる。なお本発明は、異なる巻線を間欠的に作動するようにした、或いは、前述のように異なる巻線を位相をずらして同時に制御するようにした、本発明によるアンテナ装置の種々の作動態様にも関わる。

このように送信機と受信機との位置決めに際し許容度を大きくするため、前述のような種類の異なる磁気コアの上に複数の巻線を設けることも考えられる。この場合、個々の磁気コアの放射パターンは形状または指向性に関し異なっている。この処置によっても、送信されたエネルギーの受信機の最適な位置決め範囲が拡大される。

加えて、本発明によるアンテナ装置は、省スペースも志向しているため、たとえばアンテナ装置の制御回路のような電子部品を収納することができる凹部を磁気コア内部に設けることは意義深い。このような凹部により、もし凹部が大きすぎなければ、磁気コア内部での磁束案内が阻害されることはほとんどない。さらに、前記制御回路を備えたアンテナ装置を予め製作して一体の構成ユニットとして機器内に簡単に取り付けることができるので有利である。

次に、本発明を図面に図示した実施形態を用いてより詳細に説明する。

図１は巻線部２を備えた扁平な磁気コア１を示しており、この場合磁気コアのサイズはたとえば２０×１０×０．２ｃｍである。コアの基面は、受信機の目標とする受信可能域ほどの大きさであるのが好ましい。巻線の構成により、たとえば巻き方を巻線端部へ向かうにしたがって密にすることにより、コア面にわたって可能な限り均一な強さの磁束密度が生じる。磁束指向性および放射パターンを特殊に構成するために、図２は、ほぼ正方形の板として構成した磁気コア５の上に直交軸２０，２１に対して互いに垂直に配置した２つの巻線３，４の組み合わせを示している。両巻線は交互に順次制御することができ、或いは、互いに位相をずらして同時に制御することができる。

プラスチック成分を適宜選定することにより、図１または図２の装置全体を可撓性とすることができる。しかし、いずれの場合も、たとえばフェライトコアを備えたアンテナまたは他の通常の材料から成るコアを備えたアンテナよりも破損に強いであろう。

エネルギーを移動受信機へ伝送するために特に適しているのは、図３に示した、棒状の磁気コアを備えた装置であり、この場合移動方向は（受信機のアンテナも）巻線７の縦軸線６に対し平行である。

図６には２つの異なる磁気コア８，９が図示されており、これらの磁気コアは、異なる磁束密度および放射パターンを可能にするため、それぞれ別個の巻線を有し、且つその縦軸線は互いに垂直である。これは、ただ１つの磁気コアの上に複数の巻線部を備える図２に図示した実施形態に対する択一的な実施形態である。

図４に示した装置では、巻線１０が磁気コア１１を貫通しているという点で巻線１０が当該磁性体１１に一体に組み込まれており、その結果図４においては磁気コア１１の下部部分は磁束を下面で短絡させるヨークを形成している。これにより且つ磁極片１２，１３により、一方向（下方）への遮蔽作用が達成され、それにもかかわらず優れた上方放射が達成される。

この種の装置を製造するには、磁気コアの製作の際に巻線を一緒に鋳込むことができるようにした、前記国際公開第０１９１１４１Ａ１号パンフレットに記載の鋳造方法が特に適している。

図５は磁気コア１４内の凹部１５を示している。凹部１５はそこに電子回路、たとえば巻線１６を制御するための電子回路の構成要素を収納することを可能にさせる。

図６は、たとえば移動電話またはコードレス電話１７のような移動通信端末機を備えた本発明によるアンテナ装置の適用例を示している。移動通信端末機はアンテナ装置１８との誘導結合のための詳細には図示していない受信装置を備えている。アンテナ装置１８はケーシング１９内に２つの磁気コア８，９を有しており、これらの磁気コア８，９はそれぞれ巻線部を備えており、誘導的にエネルギーを端末機１７内の受信機に伝送させることができる。端末機１７内には、受信機以外に、伝送されたエネルギーを蓄積するためのコンデンサまたはアキュムレータが設けられている。

以上説明したアンテナ装置はエネルギー伝送用に特殊化されているが、同じアンテナ装置をたとえば信号のような情報の返送にも用いることができる。この信号は、送受信を切換えて同様に誘導的に伝達されるか、或いは、受信機のエネルギー受信量を価値判断することによって伝達される。

移動機から固定機へエネルギーを伝送させる際に本発明を使用することも考えられる。たとえば鉄道技術において、信号および／またはエネルギーを車両に固定の機器から交通監視用の制御室／信号扱い所の定置センサへ伝送させるために使用できる。

１つの巻線部を備えた磁気コアの板状角形構成の実施例の斜視図である。 ２つの巻線部を備えた対応する磁気コアの実施例の斜視図である。 １つの巻線部を備えた棒状磁気コアの実施例の斜視図である。 巻線部と磁極片とを一体に組み込んだ棒状磁気コアの実施例の斜視図である。 １つの凹部を備えた磁気コアの実施例の斜視図である。 ２つの磁気コアを備えたアンテナ装置の適用例の斜視図である。

符号の説明

１ 磁気コア
２ 巻線部
３，４，７，１０，１６ 巻線
５，８，１１，１４ 磁気コア
６ 巻線の縦軸線
１２，１３ 磁極片
１５ 凹部
１７ 移動電話またはコードレス電話のような移動通信端末機
１８ アンテナ装置
１９ ケーシング

Claims (17)

1. 磁気コア（１，５，１４）と巻線（２，３，４，７，１０，１６）とを備えた、エネルギーを誘導伝送する際に使用するためのアンテナ装置であって、磁気コア（１，５，１４）が、複合材として、微細分散粒子から成る軟磁性成分とプラスチック成分とを含み、且つ磁気コア（１，５，１４）が、２０〜２００の有効初透磁率と、０．６Ｔよりも大きな飽和磁気誘導とを有しているアンテナ装置。
2. 軟磁性成分がアモルファス材またはナノ結晶材を含んでいる、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 軟磁性成分が表面層により個々に電気的に絶縁されている粒子から成っている、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 粒径が２ｍｍよりも小さい、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 粒子厚が０．５ｍｍよりも小さい、請求項３または４に記載のアンテナ装置。
6. 粒子が表面酸化またはプラスチックコーティングされている、請求項３から５までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
7. プラスチック成分が注型樹脂技術で加工可能な熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を含んでいる、請求項１から６までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
8. 磁気コア（１，５，１４）と巻線（２，３，４，７，１０，１６）とにより形成されるアンテナが、２０ｋｈｚ〜１５０ｋｈｚの周波数範囲で５０よりも大きなゲインを有している、請求項１から７までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
9. 磁気コア（１，５，１４）が少なくとも２０μＷｂの磁束まで負荷可能である、請求項１から８までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
10. 同じ磁気コア（１，５，１４）に複数の巻線（２，３，４，７，１０，１６）を備え、これら巻線の縦軸線（２０，２１）が互いに０゜よりも大きな角度で配置されている、請求項１から９までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
11. 複数個の磁気コア（１，５，１４）が複数の巻線（２，３，４，７，１０，１６）を担持し、個々の磁気コア（１，５，１４）の放射パターンが異なる形状および／または指向性を持っている、請求項１から１０までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
12. 複数個の磁気コア（１，５，１４）のうちの少なくとも１つに、電子部品を受容するための凹部（１５）が設けられている、請求項１から１１までのいずれか一つに記載のアンテナ装置。
13. 請求項１から１２までのいずれか一つに記載のアンテナ装置を誘導エネルギー伝送に使用する使用方法。
14. 固定機と誘導受信装置を備えた移動機との間で誘導エネルギー伝送するために使用する、請求項１３に記載の使用方法。
15. 移動機（１７）内に配置されるエネルギー蓄積装置を充電するために使用する、請求項１４に記載のアンテナ装置の使用方法。
16. エネルギーを移動機から固定機へ誘導伝送するために使用する、請求項１３に記載のアンテナ装置の使用方法。
17. 異なる巻線（２，３，４，７，１０，１６）を位相をずらして同時に、または、時間的に交互に制御する、請求項１０または１１に記載のアンテナ装置の作動方法。

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