JP2012019302A - Antenna module and non-contact power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンテナモジュール及び非接触電力伝送装置に係り、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好適なアンテナモジュール及び非接触電力伝送装置に関する。 The present invention relates to an antenna module and a non-contact power transmission device, and more particularly to an antenna module and a non-contact power transmission device suitable for portable devices such as a mobile phone, a headset, a digital camera, and a digital video.
電磁誘導を利用した非接触電力伝送においては、単純な平面コイルをアンテナとして組み合わせて用いることで非接触電力伝送が可能であり、非接触電力充電装置ならびに非接触型ICカード、リーダーライター等が実用化されている。 In non-contact power transmission using electromagnetic induction, non-contact power transmission is possible by combining a simple planar coil as an antenna, and non-contact power charging devices, non-contact IC cards, reader / writers, etc. are practical. It has become.
しかしながら、電磁誘導を利用した場合、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係により、その電力伝送効率が大きく変化してしまうため、高効率での電力伝送を維持するためには、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係が常に一定となるような機構を具備する必要がある。このような課題に対して、例えば、特許文献1のような磁界共鳴を用いた手段が開示されている。 However, when electromagnetic induction is used, the power transmission efficiency changes greatly depending on the positional relationship between the power transmission side antenna and the power reception side antenna. Therefore, in order to maintain high efficiency power transmission, It is necessary to provide a mechanism that makes the positional relationship of the power receiving antenna always constant. For such a problem, for example, means using magnetic field resonance as disclosed in Patent Document 1 is disclosed.
図4は、従来技術によるアンテナモジュールの一例を説明する図である。図4に示すように、従来のアンテナ50は、2つのコイルからなり、受電回路54と接続したループコイルからなる第1のコイル51と、コンデンサ53と接続した、ある特定の周波数の共振を有する第2のコイル52から構成される。第2のコイル52は、第1のコイル51に、特定の周波数を持った電力が入力されると、第2のコイル52が励磁され、第2のコイル52から電力を伝送することができる。この磁界共鳴を用いた方法によれば、電磁誘導を用いた場合に比べ、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係がよりズレていても、高効率で電力を送ることが可能となり、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係が常に一定となるような機構を具備する必要がなくなる。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a conventional antenna module. As shown in FIG. 4, the
また、安全に電力伝送を行うためには、充電対象となる携帯機器の認証等の通信を行なう必要があるが、充電用アンテナと通信用アンテナを別々にすると、搭載スペースが増加したり、アンテナ間の干渉などが発生したりしてしまうため、1つのアンテナで電力伝送と通信ができることが望ましい。 In addition, in order to transmit power safely, it is necessary to perform communication such as authentication of a portable device to be charged. However, if the charging antenna and the communication antenna are separated, the mounting space increases or the antenna It is desirable that power transmission and communication can be performed with a single antenna.
しかしながら、特許文献1記載の従来技術では、同じ周波数帯域を用いて、電力伝送と通信を行なおうとした場合、磁界共鳴を用いた電力伝送をするためのアンテナでは、高効率での電力伝送は可能であるものの、RF−ID通信等の通信を行うことができない。これは、磁界共鳴用アンテナは高いQ値が必要とされるのに対し、RF−ID通信等の通信アンテナとして使用する場合は低いQ値が必要となるため、磁界共鳴用アンテナでは、通信アンテナに必要な満足なQ値が得られない。 However, in the prior art described in Patent Document 1, when trying to perform power transmission and communication using the same frequency band, an antenna for performing power transmission using magnetic resonance does not perform power transmission with high efficiency. Although possible, communication such as RF-ID communication cannot be performed. This is because the magnetic resonance antenna requires a high Q value, whereas a low Q value is required when used as a communication antenna for RF-ID communication or the like. The satisfactory Q value required for the above cannot be obtained.
したがって、磁界共鳴を利用した非接触電力伝送においても、同じアンテナを用いて電力伝送と通信が行なえることが望ましい。 Therefore, even in non-contact power transmission using magnetic field resonance, it is desirable that power transmission and communication can be performed using the same antenna.
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、磁界共鳴を用いても、電力伝送と通信を同じアンテナで行うことができるアンテナモジュール及び非接触電力伝送を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an antenna module capable of performing power transmission and communication with the same antenna even when magnetic resonance is used, and contactless power transmission Is to provide.
本発明によれば、アンテナは第1のコイルと、第1のコイルの外側もしくは内側に配置され、かつLC共振により任意の共振周波数に調整された第2のコイルを具備し、第1のコイルは受電回路に接続され、第2のコイルは通信回路に接続されており、通信回路内又は通信回路と第2のコイルの間には、第2のコイルの両端のインピーダンスを制御し、Q値を変化させることができる制御回路を具備することを特徴とするアンテナが得られる。 According to the present invention, the antenna includes a first coil and a second coil disposed outside or inside the first coil and adjusted to an arbitrary resonance frequency by LC resonance. Is connected to the power receiving circuit, the second coil is connected to the communication circuit, and the impedance at both ends of the second coil is controlled in the communication circuit or between the communication circuit and the second coil. It is possible to obtain an antenna characterized by including a control circuit capable of changing the frequency.
即ち、本発明によれば、ループ状の第1のコイルと、前記第1のコイルの内側又は外側に配置されたループ状の第2のコイルからなるアンテナを備え、前記第1のコイルは受電回路に接続され、前記第2のコイルは任意の共振周波数に調整するとともに、通信回路に接続され、前記通信回路のインピーダンスを制御することにより、電力伝送と通信を切り替えることを特徴とするアンテナモジュールが得られる。 That is, according to the present invention, the antenna includes a loop-shaped first coil and a loop-shaped second coil arranged inside or outside the first coil, and the first coil receives power. An antenna module connected to a circuit, wherein the second coil is adjusted to an arbitrary resonance frequency, and is connected to a communication circuit, and the impedance of the communication circuit is controlled to switch between power transmission and communication. Is obtained.
また、本発明によれば、前記通信回路にリアクタンス成分を持たせ、電力伝送と通信とで周波数が異なることを特徴とする上記のアンテナモジュールが得られる。 In addition, according to the present invention, the antenna module described above is characterized in that the communication circuit has a reactance component and the frequency is different between power transmission and communication.
また、本発明によれば、前記アンテナに磁性体を配置したことを特徴とする上記のアンテナモジュールが得られる。 According to the present invention, the antenna module described above is characterized in that a magnetic material is disposed on the antenna.
また、本発明によれば、前記アンテナにシールド板を配置したことを特徴とする上記のアンテナモジュールが得られる。 According to the present invention, there is obtained the antenna module as described above, wherein a shield plate is disposed on the antenna.
また、本発明によれば、前記受電回路を送電回路に代えて、送電装置としたことを特徴とする上記のアンテナモジュールが得られる。 Further, according to the present invention, there is obtained the above antenna module characterized in that the power receiving circuit is replaced with a power transmission circuit to be a power transmission device.
また、本発明によれば、前記アンテナを複数個配置したことを特徴とする上記のアンテナモジュールが得られる。 In addition, according to the present invention, the antenna module described above, wherein a plurality of the antennas are arranged, is obtained.
また、本発明によれば、上記のアンテナモジュールを用いたことを特徴とする非接触電力伝送装置が得られる。 In addition, according to the present invention, a non-contact power transmission device using the above antenna module can be obtained.
以上のように、本発明により、磁界共鳴を用いても、電力伝送と通信を同じアンテナで行うことができるアンテナモジュール及び非接触電力伝送を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an antenna module and non-contact power transmission that can perform power transmission and communication with the same antenna even when using magnetic field resonance.
本発明によれば、電力伝送時には、第2のコイルからみた通信回路のインピーダンスを十分大きくすることによって、第2のコイルから通信回路へ電流ができるだけ流れないようにすることで、受電回路からみたアンテナのインピーダンスは、アンテナの共振点にて、最小値をとり、Q値が高くなり、高効率で電力伝送を行うための、磁界共鳴用アンテナとして駆動させることができる。また、通信時には、第2のコイルからみた通信回路のインピーダンスを十分小さくすることによって、第2のコイルに通信回路が負荷された分、Q値を下げることで、通信用アンテナとして必要なQ特性を満足することができるため、アンテナを通信用アンテナとして駆動させることができる。 According to the present invention, at the time of power transmission, the impedance of the communication circuit viewed from the second coil is sufficiently increased so that current does not flow from the second coil to the communication circuit as much as possible. The impedance of the antenna takes a minimum value at the resonance point of the antenna, has a high Q value, and can be driven as a magnetic resonance antenna for power transmission with high efficiency. Further, at the time of communication, the Q characteristic required as a communication antenna is reduced by reducing the Q value by the amount that the communication circuit is loaded on the second coil by sufficiently reducing the impedance of the communication circuit viewed from the second coil. Therefore, the antenna can be driven as a communication antenna.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明によるアンテナモジュールの構成の一例を説明する図である。図1に示すように、本発明のアンテナモジュールは、アンテナ10と、受電回路14と、通信回路15とから構成される。アンテナ10は、第1のコイル11と、第1のコイル11の外側に配置された第2のコイル12からなる。第2のコイル12は、任意の周波数に共振周波数が調整されており、第1のコイル11は、受電回路14に接続されている。第2のコイル12は、通信回路15に接続され、さらに通信回路15内又は通信回路と第2のコイルの間に設置された制御回路により、第2のコイル12の両端のインピーダンスを制御し、通信回路15へのインピーダンスを制御することにより、電力伝送と通信を切り替えるよう構成される。電力伝送と通信を切り替えは、電力伝送時には、通信回路15と第2のコイル12が等価回路的に切り離され、通信時には、通信回路15と第2のコイル12が接続されることにより行われる。なお、第2のコイル12は、第1のコイル11の内側に配置してもよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of an antenna module according to the present invention. As shown in FIG. 1, the antenna module of the present invention includes an
また、上記通信回路15と同様に、受電回路14は、第1のコイル11の両端のインピーダンスを制御する機能を持たせ、通信時には、第1のコイル11からみた受電回路14のインピーダンスを十分大きくすることで、第1のコイル11から第2のコイル12への干渉を抑制し、通信特性を向上させることもできる。
Similarly to the
アンテナ10は、FPCやFR−4基板等の平面基板上に作製される。もしくは、巻き線のみで作製することもできる。
The
第2のコイル12のLC共振は、第2のコイル12とコンデンサ13を並列に接続することで調整されるほか、第2のコイル12の自己共振および、基板上の銅箔パターンの重なりによって生じた容量成分を用いることもできる。
The LC resonance of the
受電回路もしくは、通信回路にリアクタンス成分を持たせ、アンテナの共振周波数を変化させることで、電力伝送と通信で、異なる周波数を利用することもできる。 By providing the power receiving circuit or the communication circuit with a reactance component and changing the resonance frequency of the antenna, different frequencies can be used for power transmission and communication.
受電回路は、送電回路に置き換え、送電装置として使用することもできる。 The power receiving circuit can be replaced with a power transmission circuit and used as a power transmission device.
アンテナの背面に磁性体を配置しても良い。磁性体は、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。 You may arrange | position a magnetic body on the back surface of an antenna. The magnetic material is preferably made of a material having a low loss even at a high frequency such as NiZn ferrite. Moreover, the composite material which combined the magnetic material with a several different magnetic permeability may be sufficient.
磁性体の背面には、シールド材を配置してもよい。 A shield material may be disposed on the back surface of the magnetic body.
アンテナは複数個を組み合わせて使用してもよい。 A plurality of antennas may be used in combination.
以下、本発明の実施例におけるモジュールの構成の一例について説明する。 Hereinafter, an example of the configuration of the module in the embodiment of the present invention will be described.
図2は、本発明の実施例1におけるアンテナモジュールを説明する図であり、図2(a)は、平面を示す図、図2(b)は、底面を示す図である。図2(a)では、受信回路、通信回路を省略して示している。図2に示すように、アンテナ30は、ループ状の第1のコイル31とループ状の第2のコイル32から構成される。アンテナ30の寸法は、40mm×20mmとし、FR−4基板上に作製した。アンテナ30の外側から、第2のコイル32を配置し、第2のコイル32の内側に第1のコイル31を配置した。第1のコイル31は1ターン平面コイルからなり、コイルパターン幅0.5mmで、第2のコイル32の内側に作製した。第2のコイル32は、4ターンコイルからなり、コイルパターン幅0.5mm、コイルパターン間隙0.3mmで作製した。第2のコイル32は、コンデンサ33と接続し、LC共振を持ち、共振周波数が13.56MHzに調整した。平面(表面)の第1のコイル31の端部31a、31b、第2のコイル32の端部32a、32bは、底面(裏面)の端部31c、31d、及び端部32c、32dにそれぞれ、基板の貫通孔を介して接続されている。コンデンサ33は、共振周波数が調整されればよく、必要に応じて複数個あってもよい。
2A and 2B are diagrams illustrating the antenna module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a diagram illustrating a plan view, and FIG. 2B is a diagram illustrating a bottom surface. In FIG. 2A, the receiving circuit and the communication circuit are omitted. As shown in FIG. 2, the
アンテナ30において、第1のコイル31は、図2(b)の端子38を介して受電回路34に接続され、受電回路34は第1の半導体スイッチを備え、第1の半導体スイッチはIC制御によって、第1のコイル31の端子のオープンとショートを切り替えられる。第2のコイル32は、端子39を介して通信回路35に接続され、通信回路35は第2の半導体スイッチを備え、第2の半導体スイッチはIC制御によって、第2のコイル32端子のオープンとショートを切り替えられる。このように、それぞれのインピーダンスの制御回路は、ICと半導体スイッチで構成した。
In the
以上のように構成された、アンテナ30を有する本発明のアンテナモジュールについて、その動作を説明する。
The operation of the antenna module of the present invention having the
電力伝送を行う場合、IC制御によって、第1の半導体スイッチがショート、第2の半導体スイッチがオープンとなるように制御される。このとき、第1のコイル31と第2のコイル32は磁場結合によって結合している。アンテナ30が13.56MHzの磁場中に置かれると、第2のコイル32は磁場によって励磁され、かつ、LC共振のために、高効率で電力を受電することができる。この電力は第1のコイル31によって取り出され、受電回路に伝送されることで、電力伝送が可能となる。上述のように、第2の半導体スイッチをオープンにする理由は、第1の半導体スイッチと第2の半導体スイッチがともにショートとなっていた場合、第2のコイル32が受電した電力の一部が通信回路に流れてしまうため、電力伝送効率が低下し、また、第2のコイル32の両端に発生した電圧が通信回路に印加されることとなり、大電力を伝送する場合には、通信回路が破壊される可能性もあるためである。
When power transmission is performed, the first semiconductor switch is short-circuited and the second semiconductor switch is opened by IC control. At this time, the
通信を行なう場合、IC制御によって、第1の半導体スイッチがオープン、第2の半導体スイッチがショートとなるように制御される。このとき、第1のコイル31はコイルとして機能せず、第1のコイル31と第2のコイル32の間に磁場結合は生じない。アンテナ30が13.56MHzの磁場中に置かれると、第2のコイル32は磁場によって励磁され、第2のコイル32の両端に生じた電圧が通信回路に印加され、通信が可能となる。上述のように、第1の半導体スイッチをオープンにする理由は、第1の半導体スイッチと第2の半導体スイッチがともにショートとなっていた場合、第2のコイル32の励磁を阻害するように第1のコイル31が励磁されてしまうため、通信特性が劣化する。しかし、通信特性の劣化が軽微な場合には、必ずしも第1の半導体スイッチが必要なわけではない。
When communication is performed, control is performed by IC control so that the first semiconductor switch is open and the second semiconductor switch is short-circuited. At this time, the
実施例1で説明したアンテナを1単位として、図3に示したように、複数単位のアンテナを配置することで、送電装置もしくは受電装置を構成することができる。図3は、本発明の実施例2におけるアンテナモジュールを説明する図である。図3に示すように、実施例2のアンテナモジュールは、第1のコイル41、第2のコイル42からなるアンテナ単位を3単位備えたアンテナ40を有する。
By using the antenna described in Embodiment 1 as one unit and arranging a plurality of units of antennas as shown in FIG. 3, a power transmission device or a power reception device can be configured. FIG. 3 is a diagram illustrating an antenna module according to the second embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 3, the antenna module according to the second embodiment includes an
アンテナを複数個配置する場合には、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。 In the case where a plurality of antennas are arranged, the arrangement is not limited to the arrangement in which the antennas are adjacent to each other.
送電用のアンテナモジュールは、アンテナ1単位で任意に変更することが可能であり、アンテナ1単位ごとに取り外し可能な構造を持っていても良い。 The antenna module for power transmission can be arbitrarily changed in units of one antenna, and may have a structure that can be detached for each unit of antenna.
送電用のアンテナモジュールから電力伝送できる最大送電電力は、送電用のアンテナモジュールを構成しているアンテナの数で調整可能である。例えば、アンテナ1単位あたり1Wの電力を送電できるとすれば、アンテナ4単位から構成される送電アンテナ装置は、最大4Wまで送電可能となる。 The maximum transmitted power that can be transmitted from the antenna module for power transmission can be adjusted by the number of antennas constituting the antenna module for power transmission. For example, assuming that 1 W of power can be transmitted per unit of antenna, a power transmitting antenna device configured of four antenna units can transmit power up to a maximum of 4 W.
また、送電用のアンテナモジュールのアンテナのうち、励磁させる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、電力伝送を行うことも可能となる。 Further, by adding a control system that can select an antenna to be excited among the antennas of the antenna module for power transmission, it is possible to perform power transmission using a part of the antenna of the power transmission device.
また、送電用のアンテナモジュールは、合計送電電力が最大送電電力以下であれば、複数の受電用のアンテナモジュールへの電力伝送も可能である。 Further, the power transmission antenna module can transmit power to a plurality of power receiving antenna modules as long as the total transmitted power is equal to or less than the maximum transmitted power.
受電用のアンテナモジュールの最大受電電力はアンテナモジュールを構成しているアンテナの数で調整可能である。例えば、アンテナ1単位あたり1Wの電力を受電できるとすれば、アンテナ4単位から構成される受電用のアンテナモジュールは、最大4Wまで受電可能となる。 The maximum received power of the power receiving antenna module can be adjusted by the number of antennas constituting the antenna module. For example, if it is possible to receive 1 W of power per unit of antenna, a power receiving antenna module composed of 4 units of antennas can receive power up to 4 W.
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実施が可能である。また、半導体スイッチの代わりに、機械スイッチを用いることもできる。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。 As mentioned above, although embodiment and Example of this invention were described using drawing, this invention is not limited to these examples, In the range which does not deviate from the summary of this invention, a member and a structure change are possible. Even if it exists, it is included in this invention. For example, the configuration of the antenna is not limited to that shown in FIG. 1, and various modifications such as omitting some of the components, adding other components, and changing the connection relationship are possible. It is. In addition, a mechanical switch can be used instead of the semiconductor switch. The resonance frequency of the coil can be set to an arbitrary frequency. That is, various modifications and corrections that can naturally be made by those skilled in the art are also included in the present invention.
10、30、40 アンテナ
11、31、41、51 第1のコイル
12、32、42、52 第2のコイル
13、33、53 コンデンサ
14、34、54 受電回路
15、35 通信回路
31a、31b、31c、31d、32a、32b、32c、32d 端部
38、39 端子
50 従来のアンテナ
10, 30, 40
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