JP2012222961A - アンテナモジュールおよび非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 共振器で発生する電圧を低減し、かつ高い電力伝送効率を維持し、安価で小型なアンテナモジュールおよび非接触電力伝送システムを提供する。
【解決手段】 受電コイル１１０と、受電コイル１１０の前面に複数の共振器１２０、１３０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、共振器１２０、１３０の平均外形寸法は受電コイル１１０の平均外形寸法以下であり、共振器１２０、１３０は受電コイル１１０の少なくとも一部と重なるように配置されており、共振器１２０、１３０と受電コイル１１０との結合係数は０．３以上であり、共振器１２０、１３０は互いに少なくとも一部が重なるように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力の伝送および通信を行う機器に用いるアンテナモジュールおよび非接触電力伝送システムに関する。

機器間において非接触で電力を伝送する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示されたシステムでは、効率良く電力伝送を行うために、送電器および受電器に、ＬＣ共振を持った共振器を備えている。

共振器を利用した技術としては、例えば、特許文献２に開示されたものがある。特許文献２に開示されたシステムでは、アンテナ間の相互インダクタンスによるＬＣ共振のズレに起因する効率低下を軽減するために、それぞれ異なるＬＣ共振を持った複数個の共振器を備えている。

特表２００９−５０１５１０号公報 特開２００３−０６９３３６号公報

非接触電力伝送において、受電コイルと送電コイルの間に、コイルとコンデンサから構成される共振器を配置することで、電力は、送電コイルから共振器を中継して受電コイルへと送電される。

特許文献１や特許文献２に開示されたシステムを用いて電力伝送を行う場合、共振器に大きな電圧が発生する。このため、共振器のＬＣ共振をコイルとコンデンサで構成する場合には、高耐圧のコンデンサが必要となる。従来、共振器に印加される電圧を低減する対策として、高価なコンデンサ、形状の大きなコンデンサ、複数個のコンデンサ等を用いることにより、コンデンサの容量を大きくすることが行われている。しかし、これらの対策では、アンテナモジュールの大型化や高価格化を招くという問題がある。また、共振器で発生する電圧を低減すると同時に、高い電力伝送効率を維持することも重要な問題である。

そこで、本発明は、共振器で発生する電圧を低減し、かつ高い電力伝送効率を維持し、安価で小型なアンテナモジュールおよび非接触電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明のアンテナモジュールは、外部機器と受電コイルの間に複数の共振器を配置する構成である。本発明では、送電コイルを有する外部機器から送られた電力を複数の共振器で受け、受電コイルは複数の共振器から電力を受電することで、共振器１つ当たりの受電電力が低減する。したがって、共振器に発生する電圧を低減することが可能となる。さらに、本発明は、受電コイルの前面に設けられた共振器が、受電コイルの少なくとも一部と重なるように配置され、かつ複数の共振器は互いに少なくとも一部が重なるように配置されている構成である。この構成により、共振器と受電コイル、共振器同士の結合係数の値が十分に得られ、高い電力伝送効率を維持することが可能となる。

すなわち、本発明によれば、外部機器から放射される電磁波を受電する受電コイルと、前記外部機器および前記受電コイルの間に配した複数の共振器を備えるアンテナモジュールであって、前記受電コイルと前記共振器のそれぞれの重心から外形までの距離の平均値を平均外形寸法としたとき、前記共振器の平均外形寸法は前記受電コイルの平均外形寸法以下であり、前記共振器は前記受電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、前記共振器と前記受電コイルとの結合係数は０．３以上であり、前記共振器は互いに少なくとも一部が重なるように配置されていることを特徴とするアンテナモジュールが得られる。

また、本発明によれば、前記共振器は、共振コイルとコンデンサからなるＬＣ共振回路を形成してい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。

また、本発明によれば、前記受電コイルは、受電する側の背後に配した軟磁性体を備え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。

また、本発明によれば、前記受電コイルは、受電する側の背後に配した電磁波シールド部材を備え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。

また、本発明によれば、前記受電コイルは、受電する側の背後に配した軟磁性体と、前記軟磁性体の背後に配した電磁波シールド部材を備え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。

また、本発明によれば、複数の前記共振コイルは、前記共振コイルを構成する配線の線幅をＬ１とし、前記共振コイルを構成する配線の線間距離をＳ１とし、前記受電コイルを構成する配線の線幅をＬ２とし、前記受電コイルを構成する配線の線間距離をＳ２とした場合に、下記式（１）〜（３）で示される条件を満たしてい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。
Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２ （１）
Ｓ１≧Ｌ１／１０ （２）
Ｓ２≧Ｌ２／１０ （３）

また、本発明によれば、前記受電コイルおよび前記共振コイルは、いずれも平面コイルであ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。

また、本発明によれば、前記受電コイルは、受電回路を有しており、受電装置として機能す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。

また、本発明によれば、前記受電コイルは、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い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。

また、本発明によれば、前記受電コイルは通信回路を有しており、電力伝送とともに通信を行なうことができ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。

また、本発明によれば、上記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が得られる。

本発明によれば、共振器で発生する電圧を低減し、かつ高い電力伝送効率を維持し、安価で小型なアンテナモジュールおよび非接触電力伝送システムを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの構成を示す概略図。 本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの等価回路を示す説明図。 本発明の実施の形態２に係るアンテナモジュールの構成を示す概略図。 本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの、受電コイルと共振器の結合係数に対する電力伝送効率を示す図。 本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの共振器間の結合係数を説明する図。図５（ａ）は、受電コイルと共振コイルの配置を説明する概略図。図５（ｂ）は、受電コイルと共振コイルの寸法比に対する共振器間結合係数を示す図。 本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの２つの共振器の結合係数に対する、電力伝送効率を示す図。 本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの２つの共振器の結合係数に対する、共振器のコンデンサ両端電圧を示す図。 本発明のコイルパターン寸法を説明する図。 本発明の実施例に係るアンテナモジュールの構成を示す概略図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの構成を示す概略図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの等価回路を示す説明図である。図１および図２に示すように、本発明の実施の形態によるアンテナモジュール１００は、受電コイル１１０と、共振器１２０および共振器１３０を備えている。共振器１２０は、共振コイル１２１と、共振コイル１２１に接続されたコンデンサ１２２から構成される。同様に共振器１３０は、共振コイル１３１と、共振コイル１３１に接続されたコンデンサ１３２から構成される。

本実施の形態の受電コイル１１０と、共振コイル１２１および共振コイル１３１は、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）やＦＲ−４基板（ガラスエポキシ基板）等の平面基板上に作製される平面コイルであるが、巻き線のみで作製することもできる。また、受電コイル１１０と、共振コイル１２１を有する共振器１２０と、共振コイル１３１を有する共振器１３０は、それぞれ絶縁し積層されている。この構成とするために、それぞれのコイルパターンを印刷した平面基板を重ねて使用することや、多層構造の基板にそれぞれのコイルパターンを印刷したものを使用することができる。

本実施の形態では、共振器１２０および共振器１３０は、同一の形状とし、ともに同じ共振周波数に調整されており、電力伝送に使用される共振周波数と一致している。この共振周波数は、使用目的に応じて異なる共振周波数としてもよく、各共振器の共振周波数が異なる場合、電力伝送効率が低下するが、これを利用し受電電力の調整に利用することもできる。また、各共振器に異なる共振周波数を持たせることにより、複数の周波数で受電できるようにすることもできる。なお、共振器の共振周波数は、共振コイルに対してコンデンサを接続することにより調整されるほか、共振コイルの自己共振や、基板上の銅箔パターンと共振コイルとの重なりによって生じた容量成分を利用することも可能である。

ここで、本実施の形態による受電コイル１１０と、共振コイル１２１および共振コイル１３１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。これらの条件は、高い電力伝送効率を維持するためのものである。

すなわち、本実施の形態において、それぞれのコイルの重心から外形までの距離の平均値を平均外形寸法としたとき、共振コイル１２１および共振コイル１３１の平均外形寸法は、受電コイル１１０の平均外形寸法以下である。また、本実施の形態による共振コイル１２１および共振コイル１３１は、受電コイル１１０と一部が重なるように配置される。

図４は、本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの、受電コイルと共振器の結合係数に対する電力伝送効率を示す図である。図４に示すように、受電コイルと共振器の結合係数は０．３より小さくなると電力伝送効率が急激に悪化する。したがって、受電コイルと共振器の結合係数が０．３以上となるように、受電コイルおよび共振器を配置することにより、高い電力伝送効率を維持することができる。

次に、本発明の共振器の配置について、実施の形態を例にとって説明する。図５は、本発明の実施の形態によるアンテナモジュールの共振器間の結合係数を説明する図で、図５（ａ）は、受電コイルと共振コイルの配置を説明する概略図、図５（ｂ）は、受電コイルと共振コイルの寸法比に対する共振器間結合係数を示す図である。図５（ａ）に示すように、本発明の実施の形態において、受電コイル１１０の横寸法をａ、共振コイル１２１および共振コイル１３１の横寸法をｂとする。受電コイル１１０と、共振コイル１２１と、共振コイル１３１の縦寸法は、説明を簡単にするため、同一寸法とする。

ここで、共振器間の結合係数について、２つの共振コイルから発生する磁束が互いに加え合わせるように働く和動結合の場合には正の結合係数とし、２つのコイルから発生する磁束が互いを打ち消しあうように働く差動結合の場合には負の結合係数とする。このとき、図５（ｂ）に示すように、寸法比ｂ／ａが０．５未満となった場合には、２つの共振コイルは差動結合となり、共振コイル１２１と共振コイル１３１の結合係数は、負の値となる。すなわち、共振コイル同士が重なっていない場合、結合係数は負の値をとる。

図６は、本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの２つの共振器の結合係数に対する、電力伝送効率を示す図である。図６では、図５で示した共振器間の結合係数に対する電力伝送効率を示し、共振器を１個配置したときの電力伝送効率を破線で示している。図６に示すように、結合係数が０以上である場合には、共振器が１個のときと比較して、電力伝送効率が同等以上となっている。しかし、結合係数が負の値である場合には、共振器が１個のときと比較して、電力伝送効率が１０％程度低下してしまう。このため、共振器間の結合係数は０以上である必要がある。これは、上述したように、共振器間の結合係数が負の場合には、共振器同士で磁束を打ち消し合ってしまうため、電力伝送効率が低下するものと理解される。したがって、共振器間の結合係数を０以上とするために、複数の共振器は互いに少なくとも一部が重なるように配置される必要がある。なお、ここでは、共振器が２つの場合について説明したが、共振器の数量によらず、結合係数を０以上とするために、共振器が互いに少なくとも一部重なるよう配置される。

図７は、本発明の実施の形態１に係るアンテナモジュールの２つの共振器の結合係数に対する、共振器のコンデンサ両端電圧を示す図である。図７において、共振器を１個配置したときのコンデンサの両端電圧を破線で示している。図７に示すように、共振器を２つ配置することで、共振器に発生する電圧を低減することができる。これは次のように理解される。受電コイルと送電コイルの間に、共振コイルとコンデンサから構成される共振器を配置することで、電力は、送電コイルから共振器を中継して受電コイルへと送電される。このとき、共振器が複数あった場合には、各共振器に送電電力を分配することが可能となる。すなわち、送電コイルから送った電力を複数の共振器で受け、受電コイルは複数の共振器から電力を受電することで、共振器１つ当たりの受電電力を低減することが可能となる。したがって、共振器中に発生する電圧を低減するとともに、高い電力伝送効率を維持することが可能となる。

図８は、本発明のコイルパターン寸法を説明する図である。図８において、受電コイル１１０は、２ターンの平面コイルを形成し、共振コイル１２１および共振コイル１３１は同一形状で、それぞれ２ターンの平面コイルを形成し、図１に示すような配置としている。図８に示すように、受電コイル１１０を構成する配線の線幅（幅寸法もしくは線径）Ｌ１は、共振コイル１２１および共振コイル１３１を構成する配線の線幅（幅寸法もしくは線径）Ｌ２と、配線の線間距離（配線間隔）Ｓ２の和よりも小さいのが望ましい。また、受電コイル１１０を構成する配線の線間距離（配線間隔）Ｓ１は、受電コイル１１０の配線の線幅Ｌ１の１／１０以上であるのが望ましい。さらに、共振コイル１２１および共振コイル１３１の配線の線間距離Ｓ２は、共振コイル１２１および共振コイル１３１の配線の線幅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、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、受電コイル１１０と、共振コイル１２１および共振コイル１３１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によって妨げないようにすることで、受電コイル１１０や共振コイル１２１や共振コイル１３１の配線中で生じる渦電流損失を減らし、電力伝送効率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において、受電コイルの受電する側の背後に軟磁性体を更に配置することとしてもよい。この構成により、電力伝送効率や指向性などを向上させることができる。軟磁性体としては、例えば、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金およ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、受電コイルの受電する側の背後に電磁波シールド部材を配置することとしてもよい。上述したように軟磁性体を配置する場合には、更にその背後に電磁波シールド部材を配置することとすればよい。この構成により、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軽減が可能となる。電磁波シールド部材としては、例えば、板状又はシート状のものを用いることができる。

さらに、本発明の受電コイルに、受電回路や充電池を備えることとしてもよく、通信回路を備えて、電力伝送とともに通信も行えるようにしてもよい。

上述した実施の形態によるアンテナモジュール１００は、受電コイル１１０と、２つの共振器（共振器１２０と共振器１３０）を備えるものであったが、本発明はこの構成に限定されるものではない。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアンテナモジュールの構成を示す概略図である。図３を参照すると、アンテナモジュール２００は、受電コイル２１０と、３つの共振器である共振器２２０と共振器２３０と共振器２４０を備えている。共振器２２０は、共振コイル２２１とコンデンサ２２２から構成される。同様に、共振器２３０は、共振コイル２３１とコンデンサ２３２、共振器２４０は、共振コイル２４１とコンデンサ２４２から構成される。このように、例えば３つの共振器を備えている場合においても、受電コイルと共振器の少なくとも一部が重なり、かつ結合係数が０．３以上となるように配置し、さらに、それぞれの共振器が互いに少なくとも一部重なるように配置することにより、上述したような本発明の効果が得られる。

図９は、本発明の実施例に係るアンテナモジュールの構成を示す概略図である。アンテナモジュール３００の受電コイル３１０と、共振コイル３２１と、共振コイル３３１を、ＦＲ−４基板を用いて、それぞれ以下のようにパターン形成して作製した。アンテナモジュール３００の寸法は、４０ｍｍ×３０ｍｍとした。受電コイル３１０は１ターン平面コイルからなり、コイルパターン幅１．５ｍｍ、コイル外形寸法４０ｍｍ×３０ｍｍで作製した。共振コイル３２１は、２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、コイル外形寸法４０ｍｍ×３０ｍｍで作製した。共振コイル３３１は、２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、コイル外形寸法４０ｍｍ×３０ｍｍで作製した。受電コイル３１０は、共振コイル３２１、３３１の外側パターンと重なるように配置した。受電コイル３１０と共振コイル３２１との間隔は０．２ｍｍとした。受電コイル３１０と共振コイル３３１との間隙は０．３ｍｍとした。

受電コイル３１０と共振コイル３２１の結合係数は０．８とした。受電コイル３１０と共振コイル３３１の結合係数は０．８とした。共振コイル３２１にはコンデンサ３２２、共振コイル３３１にはコンデンサ３３２をそれぞれ接続し、ＬＣ共振回路を構成する共振器３２０および共振器３３０を作製した。このＬＣ共振回路を構成する共振器の共振周波数は、１３．５６ＭＨｚに調整した。

また、比較例として、共振器３３０を設けず、受電コイル３１０と共振器３２０のみのアンテナモジュールを作製した。比較例は、共振器が１つ設けられている構成であり、それ以外は実施例と同一とした。

送電コイルを有する送電器（図示せず）から１３．５６ＭＨｚの周波数で電力を送電すると、共振器３２０および共振器３３０が共振し、１３．５６ＭＨｚの電力を受電する。さらに、共振器３２０および共振器３３０で受電した電力を、受電コイル３１０が取り出すことで、電力伝送を行うことができる。このとき、送電した電力は２つの共振器（共振器３２０と共振器３３０）に分配されるため、共振器１つあたりの受電電力が小さくなり、共振器で発生する電圧を低くすることができる。

本実施例では、送電電力を５Ｗとした場合、２つの共振器が受け取る電力はそれぞれ２．３Ｗであり、受電コイルが受け取る電力は４．５Ｗで、電力伝送効率は０．９となった。このとき、２つの共振器のコンデンサ両端の電圧は３Ｖであった。一方、共振器が１つの比較例では、送電電力を５Ｗとした場合、共振器が受け取る電力は４．７Ｗであり、受電コイルが受け取る電力は４．５Ｗで、電力伝送効率は０．９となった。このとき、共振器のコンデンサ両端の電圧は１９Ｖと非常に高い値であった。したがって、本発明の構成により、共振器で発生する電圧を低減し、かつ高い電力伝送効率を維持することが可能であることが確認できた。また、本発明は、共振器に発生する電圧が低いことにより、形状の大きなコンデンサや、高価なコンデンサを必要とせず、小型で安価なアンテナモジュールおよび非接触電力伝送システムを提供することが可能となった。

以上、本発明の実施の形態およ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、アンテナモジュール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、共振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、ＲＦＩＤタグ等における電力伝送や通信に利用することができる。

１００、２００、３００ アンテナモジュール
１１０、２１０、３１０ 受電コイル
１２０、１３０、２２０、２３０、２４０、３２０、３３０ 共振器
１２１、１３１、２２１、２３１、２４１、３２１、３３１ 共振コイル
１２２、１３２、２２２、２３２、２４２、３２２、３３２ コンデンサ

Claims (11)

1. 外部機器から放射される電磁波を受電する受電コイルと、前記外部機器および前記受電コイルの間に配した複数の共振器を備えるアンテナモジュールであって、前記受電コイルと前記共振器のそれぞれの重心から外形までの距離の平均値を平均外形寸法としたとき、前記共振器の平均外形寸法は前記受電コイルの平均外形寸法以下であり、前記共振器は前記受電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、前記共振器と前記受電コイルとの結合係数は０．３以上であり、前記共振器は互いに少なくとも一部が重なるように配置されていることを特徴とするアンテナモジュール。
2. 前記共振器は、共振コイルとコンデンサからなるＬＣ共振回路を形成していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
3. 前記受電コイルは、受電する側の背後に配した軟磁性体を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナモジュール。
4. 前記受電コイルは、受電する側の背後に配した電磁波シールド部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のアンテナモジュール。
5. 前記受電コイルは、受電する側の背後に配した軟磁性体と、前記軟磁性体の背後に配した電磁波シールド部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のアンテナモジュール。
6. 複数の前記共振コイルは、前記共振コイルを構成する配線の線幅をＬ１とし、前記共振コイルを構成する配線の線間距離をＳ１とし、前記受電コイルを構成する配線の線幅をＬ２とし、前記受電コイルを構成する配線の線間距離をＳ２とした場合に、下記式（１）〜（３）で示される条件を満たしていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のアンテナモジュール。
   Ｌ１＜Ｌ２＋Ｓ２ （１）
   Ｓ１≧Ｌ１／１０ （２）
   Ｓ２≧Ｌ２／１０ （３）
7. 前記受電コイルおよび前記共振コイルは、いずれも平面コイルであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のアンテナモジュール。
8. 前記受電コイルは、受電回路を有しており、受電装置として機能することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のアンテナモジュール。
9. 前記受電コイルは、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いることを特徴とする請求項８に記載のアンテナモジュール。
10. 前記受電コイルは通信回路を有しており、電力伝送とともに通信を行なうことができることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のアンテナモジュール。
11. 請求項１〜請求項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。

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