JP2013157917A - コイル装置及び携帯無線端末 - Google Patents

Abstract

【課題】高い通信性能を維持しながら、小型化を図ることができるコイル装置及び携帯無線端末を提供する。
【解決手段】第１のループコイル２と電気的に接続された第１の入出力部３に、第１のループコイル２と第１の入出力部３との間を電気的に接続したり、切断したりするスイッチ３１を有し、第１のループコイル２で無線伝送する場合は、第１のループコイル２と第１の入出力部３との間を電気的に接続し、第２のループコイル４で無線伝送する場合は、切断する。これにより、第１のループコイル２が第２のループコイル４と結合することがなくなり、第２のループコイル４の性能を従来と略同等に維持できる。また、第１，第２のループコイル２，４を同心円状、同一平面で重ねて配置するので、磁束が通過する範囲を２つのループコイル２，４で共用でき、コイル装置１の小型化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触充電に用いられるコイル装置及び該コイル装置を搭載した携帯無線端末に関する。

近年、非接触充電機能を搭載した携帯無線端末が市場に流通しており、なかでも充電用のコイルが電池パックと一体化されたものが主流となっている。

非接触充電に関連する技術として、例えば特許文献１，２に記載されたものがある。特許文献１に記載された非接触給電通信装置は、共鳴により１以上の電子機器に交流電力を供給する共鳴素子と、前記共鳴素子の共鳴周波数に応じた周波数の交流電力を発生させて、前記共鳴素子に対して供給する交流電源部と、前記共鳴素子を通じて通信処理を行う通信部と、前記共鳴素子と前記通信部との間に設けられ、電力供給時には前記共鳴素子と前記通信部との間を切断し、通信時には前記共鳴素子と前記通信部との間を接続するスイッチ手段とを備える。

特許文献２に記載された無線カードは、外部の通信装置から送信される第１の周波数の電力波、および、前記第１の周波数と異なる第２の周波数のデータ波をそれぞれ受信する無線カードであって、前記電力波を受信する電力波用アンテナを形成する第１のコイルを、電波を透過する部材で形成された長方形のカード状基板の一方の面の中央部に配設するとともに、前記データ波を受信するデータ波用アンテナを形成する第２のコイルを前記基板の一方の面の中央部で前記第１のコイルと２重の輪となるように配設した。

特開２０１１−０２９７９９号公報 特開２００４−１１０８５４号公報

携帯無線端末は、携帯性が重視されることから、端末本体の小型化に併せて電池パックの小型化も必要となる。しかしながら、電池パックの小型化を進めると、電池容量が少なくなり、１回の充電で使用できる時間が短くなるという課題が生ずる。

上述した特許文献１に記載の非接触給電通信装置は、無線電力伝送する場合、共鳴素子を用いなければならならない。また、上述した特許文献２に記載の無線カードは、第１のコイルと第２のコイルの両コイルの結合劣化対策がなされておらず、第１のコイルと第２のコイルが結合することによる性能劣化が生ずる。

本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、高い通信性能を維持しながら、小型化を図ることができるコイル装置及び携帯無線端末を提供することを目的とする。

本発明のコイル装置は、第１の周波数帯で動作する第１のループコイルと、前記第１のループコイルと電気的に接続された第１の入出力部と、前記第１の入出力部に設けられたスイッチと、第２の周波数帯で動作する第２のループコイルと、前記第２のループコイルと電気的に接続された第２の入出力部と、を備え、前記スイッチは、前記第１のループコイルで無線伝送する場合は前記第１のループコイルと前記第１の入出力部との間を電気的に接続し、前記第２のループコイルで無線伝送する場合は前記第１のループコイルと前記第１の入出力部との間を電気的に切断する。

上記構成によれば、第２のループコイルが動作状態のときは、第１のループコイルと第１の入出力部との間を電気的に切断して、第１のループコイルの終端を開放するので、第１のループコイルが第２のループコイルと結合することによる影響を抑制することができ、第２のループコイルの性能を劣化させることなく動作させることができる。即ち、高い通信性能を維持できる。

上記構成において、前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも低い周波数である。

上記構成によれば、第１の周波数と第２の周波数との関係が、第１の周波数＜第２の周波数の場合、第２のループコイルが動作状態のときは、第１のループコイルと第１の入出力部との間を電気的に切断して、第１のループコイルの終端を開放するので、第１のループコイルが第２のループコイルと結合することがなくなり、第２のループコイルの性能を従来（２つのループコイルを別体とした場合）と略同等の性能を維持できる。即ち、高い通信性能を維持できる。

上記構成において、前記第１のループコイルと前記第２のループコイルが同心円状かつ同一平面に配置された。

上記構成によれば、第１のループコイルと第２のループコイルを同心円状、同一平面で重ねて配置することで、磁束が通過する範囲を２つのループコイルで共用できるため、コイル装置の小型化が可能となる。

上記構成において、前記第１のループコイルと前記第２のループコイルが厚み方向で一部重なるように配置された。

上記構成によれば、第１のループコイルと第２のループコイルを厚み方向で一部重なるように配置することで、第２のループコイルの小型化が図れ、コイル装置の更なる小型化が可能となる。

本発明の携帯無線端末は、前記発明のコイル装置を備えた。

上記構成によれば、前記発明のコイル装置を備えることで、携帯無線端末の小型化が図れる。

本発明によれば、高い通信性能を維持しながら、小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係るコイル装置の概略構成を示す図 図１のコイル装置のＡ−Ａ’線断面図 図１のコイル装置の応用例のコイル装置の概略構成を示す図 図３のコイル装置のＢ−Ｂ’線断面図 ＮＦＣ用の送信側の第２のループコイルを示す図 ＮＦＣ用の受信側の第２のループコイルを示す図 充電用の送信側の第１のループコイルを示す図 充電用の受信側の第１のループコイルを示す図 図１のコイル装置と略同様の構造のコイル装置の概略構成を示す図 図９のコイル装置のＣ−Ｃ’線断面図 図５〜図８に示す各シミュレーションモデルのシミュレーション結果と、図９に示すシミュレーションモデルのシミュレーション結果を示す図 本発明の実施の形態２に係るコイル装置の概略構成を示す図 図１２のコイル装置のＤ−Ｄ’線断面図 実施の形態１に係るコイル装置又は実施の形態２に係るコイル装置を用いた携帯無線端末の一部分の概略構成を示すブロック図 図１４の携帯無線端末の論理回路の構成と、該論理回路と２つのＣＰＵ及びスイッチとの接続関係を示すブロック図 図１４の携帯無線端末の２つのＣＰＵと論理回路の動作を示すタイムチャート 図１４の携帯無線端末の２つのＣＰＵと論理回路の動作を示すタイムチャート

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るコイル装置の概略構成を示す図である。また、図２は、図１のコイル装置のＡ−Ａ’線断面図である。図１及び図２において、本実施の形態に係るコイル装置１は、第１の周波数帯ｆ１で動作する第１のループコイル２と、第１のループコイル２と電気的に接続された第１の入出力部３と、第１の入出力部３に設けられたスイッチ３１と、第２の周波数帯ｆ２（＞ｆ１）で動作する第２のループコイル４と、第２のループコイル４と電気的に接続された第２の入出力部５と、第１のループコイル２及び第２のループコイル４を実装する磁性体６と、を備える。

磁性体６は、正方形板状に形成され、その一方の面に第１のループコイル２及び第２のループコイル４が実装される。第１のループコイル２及び第２のループコイル４は共に円形の渦巻き状に形成されており、大きさは第２のループコイル４の方が第１のループコイル２よりも大きく、第１のループコイル２が第２のループコイル４の内側に配置される。即ち、第１のループコイル２と第２のループコイル４は、同心円状で同一平面上に配置される。第２のループコイル４の内側に第１のループコイル２を配置することで、磁束が通過する範囲を共用でき、装置の小型化が可能となる。なお、第１のループコイル２と第２のループコイル４は必ずしも同心円状に配置しなくても良く、偏心させても良い。図３は、第１のループコイル２の中心が第２のループコイル４の中心より偏心した位置にあるコイル装置１Ｂの概略構成を示す図である。また、図４は、図３のコイル装置１ＢのＢ−Ｂ’線断面図である。

図１において、第１の入出力部３に設けられたスイッチ３１は、第１のループコイル２で無線伝送（充電用の電力伝送）する場合、第１のループコイル２と第１の入出力部３との間を電気的に接続し、第２のループコイル４で無線伝送（フェリカ（登録商標）又はＮＦＣ（Near Field Communication））する場合、第１のループコイル２と第１の入出力部３との間を電気的に切断し、第１のループコイル２と第１の入出力部３を電気的に分離する。第１のループコイル２は、第１の周波数帯ｆ１で動作し、第２のループコイル４は、第２の周波数帯ｆ２で動作し、ｆ１＜ｆ２の関係である場合、第２のループコイル４が動作状態のときに、第１のループコイル２の終端を開放することで、第１のループコイル２と第２のループコイル４との結合を抑制し、第２のループコイル４の性能を従来（２つのループコイルを別体とした場合）と略同等の性能を維持できる。即ち、第２のループコイル４による通信性能を高く維持できる。

ここで、ループコイル単体とした場合と、本実施の形態に係るコイル装置１のように、２つのループコイルを一体にした場合（結合させた場合）を比較した結果について説明する。
・ループコイル単体時のシミュレーションモデル
図５は、ＮＦＣ用の送信側の第２のループコイルを示す図である。同図に示す第２のループコイル１０は、長方形状を成し、長手方向の寸法ａが３８ｍｍ、短手方向の寸法ｂが２４ｍｍである。この第２のループコイル１０は、長方形状の基板１１上に配置される。図６は、ＮＦＣ用の受信側の第２のループコイルを示す図である。同図に示す第２のループコイル１２は、円形状を成し、外径ｃが３９ｍｍ、内径ｄが３２ｍｍである。この第２のループコイル１２は、平板リング状の基板１３上に配置される。図７は、充電用の送信側の第１のループコイルを示す図である。同図に示す第１のループコイル１４は、円形状を成し、外径ｅが２９ｍｍ、内径ｆが１８ｍｍである。図８は、充電用の受信側の第１のループコイルを示す図である。同図に示す第１のループコイル１５は、円形状を成し、外径ｅが２９ｍｍ、内径ｆが１８ｍｍである。また、図８において、第１のループコイル１５が配置される磁性体１６は、円盤状を成し、直径ｇが４０ｍｍである。

・ループコイル結合時のシミュレーションモデル
図９は、図１に示すコイル装置１と略同様の構造のコイル装置の概略構成を示す図である。また、図１０は、図９のコイル装置のＣ−Ｃ’線断面図である。図９及び図１０において、ループコイル結合時のシミュレーションモデルのコイル装置２０は、円盤状に形成された磁性体２１と、円形状の第１のループコイル２２と、円形状の第２のループコイル２３と、平板リング状の基板２４とを備える。基板２４の外径は、磁性体２１の外径よりやや小さく、内径は第１のループコイル２２の外径よりやや大きくなっており、磁性体２１上に配置される。第１のループコイル２２は、基板２４の内側の磁性体２１上に配置される。第２のループコイル２３は、基板２４上に配置される。基板２４と第２のループコイル２３を加算した厚さは、第１のループコイル２２の厚さと略同じになっている。磁性体２１の底面から第２のループコイル２３の上面までの距離即ち高さｈは０．７ｍｍである。

図１１は、図５〜図８に示す各シミュレーションモデルのシミュレーション結果と、図９に示すシミュレーションモデルのシミュレーション結果を示す図である。図１１の（ａ）は、磁性体の条件を示す図であり、条件（１）は比透磁率μｒが９００、条件（２）は比透磁率μｒが１００である。図１１の（ｂ）は、条件（１）における第１のループコイル側の通過特性（ｄＢ）と、第２のループコイル側の通過特性（ｄＢ）を示す図である。図１１の（ｃ）は、条件（２）における第１のループコイル側の通過特性（ｄＢ）と、第２のループコイル側の通過特性（ｄＢ）を示す図である。

図１１の（ｂ）に示すように、条件（１）の場合、第１のループコイル側の通過特性（ｄＢ）では、ループコイル単体時でもループコイル結合時でも同じ値（−０．５ｄＢ）となっているが、第２のループコイル側の通過特性（ｄＢ）では、２つのループコイルの結合時がループコイル単体時より劣化しているものの、スイッチ３１をオフした方が改善されている（−１０．１ｄＢ → −８．０ｄＢ）。

一方、条件（２）の場合、図１１の（ｃ）に示すように、第１のループコイル側の通過特性（ｄＢ）では、ループコイル単体時でもループコイル結合時でも同じ値（−０．６ｄＢ）となっているが、第２のループコイル側の通過特性（ｄＢ）では、２つのループコイルの結合時がループコイル単体時より劣化しているものの、スイッチ３１をオフした方が改善されている（−１０．５ｄＢ → −８．２ｄＢ）。

このように、ループコイル結合時は、ループコイル単体時より通過特性が多少劣化するものの、スイッチ３１をオフした方が劣化量を低く抑えることができる。したがって、２つのループコイルを結合させる場合は、スイッチ３１をオフにした方が良いことが分かる。

このように本実施の形態に係るコイル装置１によれば、第１のループコイル２と電気的に接続された第１の入出力部３に、第１のループコイル２と第１の入出力部３との間を電気的に接続したり、切断したりするスイッチ３１を有し、第１のループコイル２で無線伝送する場合は、第１のループコイル２と第１の入出力部３との間を電気的に接続し、第２のループコイル４で無線伝送する場合は、第１のループコイル２と第１の入出力部との間を電気的に切断して、第１のループコイル２の終端を開放するので、第１のループコイル２と第２のループコイル４との結合を抑制し、第２のループコイル４の性能を従来（２つのループコイルを別体とした場合）と略同等の性能を維持できる。即ち、高い通信性能を維持できる。

また、第１のループコイル２と第２のループコイル４を同心円状、同一平面で重ねて配置するので、磁束が通過する範囲を２つのループコイル２，４で共用でき、コイル装置１の小型化が可能となる。

なお、本実施の形態に係るコイル装置１において、第１のループコイル２及び第２のループコイル４の形状をいずれも円形としたが、円形に限定されるものではなく、例えば四角形であっても良い。

（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２に係るコイル装置の概略構成を示す図である。また、図１３は、図１２のコイル装置のＤ−Ｄ’線断面図である。なお、図１２及び図１３において、前述した図１及び図２と共通する部分には同一の符号を付けている。本実施の形態に係るコイル装置５０は、第１のループコイル２と第２のループコイル４が厚み方向で一部重なるように配置したものである。このように配置することで第２のループコイル４の小型化が図れ、実施の形態１に係るコイル装置１よりもさらに小型のコイル装置５０を提供できる。

（実施の形態３）
図１４は、前述した実施の形態１に係るコイル装置１又は実施の形態２に係るコイル装置５０を用いた携帯無線端末７０の一部分の概略構成を示すブロック図である。携帯無線端末７０は、コイル装置１又はコイル装置５０のいずれか一方の他に、負荷変調回路７１、整流回路７２、バッテリ７３、第１，２のＣＰＵ７４，７５、論理回路７６、外付け無線回路７７を備える。負荷変調回路７１と整流回路７２は、第１のループコイル２で無線電力伝送を行うのに用いられる。外付け無線回路７７は、フェリカ（登録商標）又はＮＦＣ通信としての無線伝送を行うのに用いられる。第１のＣＰＵ７４は、負荷変調回路７１と整流回路７２を制御し、さらに、第１の入出力部３のスイッチ３１をオン、オフするための信号を論理回路７６に出力する。第２のＣＰＵ７５は、外付け無線回路７７を制御し、さらに、第１の入出力部３のスイッチ３１をオン、オフするための信号を論理回路７６に出力する。

図１５は、携帯無線端末７０の論理回路７６の構成と、論理回路７６と２つのＣＰＵ７４，７５及びスイッチ３１との接続関係を示すブロック図である。同図において、論理回路７６は、ＯＲ回路７６１と、ＮＯＲ回路７６２と、ＡＮＤ回路７６３とから構成される。ＯＲ回路７６１の一方の入力端と第１のＣＰＵ７４の定期確認出力端とが接続され、他方の入力端と第１のＣＰＵ７４の充電時フラグ出力端とが接続される。ＮＯＲ回路７６２の一方の入力端と第２のＣＰＵ７５のＴｘ時フラグ出力端とが接続され、他方の入力端と第２のＣＰＵ７５のＲｘ時フラグ出力端とが接続される。ＡＮＤ回路７６３の一方の入力端とＯＲ回路７６１の出力端とが接続され、他方の入力端とＮＯＲ回路７６２の出力端とが接続される。ＡＮＤ回路７６３の出力端がスイッチ３１に接続される。スイッチ３１は、ＡＮＤ回路７６３の出力端がハイレベルになるとオンし、ローレベルになるとオフする。

図１６及び図１７は、携帯無線端末７０の第１，第２のＣＰＵ７４，７５と論理回路７６の動作を示すタイムチャートである。同図において、第１のＣＰＵ７４の定期確認出力端が一定時間毎に所定時間だけハイレベルになる。定期確認出力は、同図中に示すように、幅が１００〜１５０ｍｓｅｃ程度、周期が２〜３ｓｅｃ程度のパルス出力である。図１６の（ａ）に示すように、携帯無線端末７０が待機状態のとき（即ち、無線電力伝送も無線通信も行ってないとき）は、定期確認出力がハイレベルになる毎に論理回路７６の出力が所定時間だけハイレベルになる。この場合、ハイレベルになっている時間は、定期確認出力がハイレベルになっている時間と同程度である。

次に、図１６の（ｂ）に示すように、待機状態から充電状態になると、第１のＣＰＵ７４の充電時フラグ出力端がハイレベルになる。充電時フラグ出力は、バッテリ７３の充電が行われている間、ハイレベル状態となる。充電時フラグ出力がハイレベルになっている間、論理回路７６の出力がハイレベル状態を継続する。論理回路７６の出力がハイレベルになるとスイッチ３１がオンし、その状態は論理回路７６の出力がハイレベルになっている間継続する。即ち、充電時は第１のループコイル２と第１の入出力部３との間が電気的に接続される。

次に、図１７の（ａ）に示すように、待機状態から通信状態（フェリカ（登録商標）又はＮＦＣ）になると、第２のＣＰＵ７５のＴｘ時フラグ出力端がハイレベルになる。Ｔｘ時フラグ出力は、送信が行われている間、ハイレベル状態となる。

次に、図１７の（ｂ）に示すように、充電状態から通信状態（フェリカ（登録商標）又はＮＦＣ）になると、第２のＣＰＵ７５のＴｘ時フラグ出力端がハイレベルになる。Ｔｘ時フラグ出力は、送信が行われている間、ハイレベル状態となる。第２のＣＰＵ７５のＴｘ時フラグがハイレベルになった直後、第１のＣＰＵ７４の充電時フラグがハイレベルからローレベルになる。通信状態になると、論理回路７６の出力がローレベルになってスイッチ３１がオフし、その状態は通信状態になっている間、継続する。即ち、通信時は第１のループコイル２と第１の入出力部３との間が電気的に切断される。

なお、本実施の形態に係る携帯無線端末７０において、第１のループコイル２及び第２のループコイル４の所在について言及しなかったが、例えばバッテリ７３に貼り付けることも可能である。

本発明は、高い通信性能を維持しながら、小型化を図ることができるといった効果を有し、非接触充電機能を搭載した携帯無線端末等の電子機器への適用が可能である。

１，１Ｂ，２０，５０ コイル装置
２，１４，１５，２２ 第１のループコイル
３ 第１の入出力部
４，１０，１２，２３ 第２のループコイル
５ 第２の入出力部
６，１６，２１ 磁性体
７，１１，１３，２４ 基板
３１ スイッチ
７０ 携帯無線端末
７１ 負荷変調回路
７２ 整流回路
７３ バッテリ
７４ 第１のＣＰＵ
７５ 第２のＣＰＵ
７６ 論理回路
７７ 外付け無線回路
７６１ ＯＲ回路
７６２ ＮＯＲ回路
７６３ ＡＮＤ回路

Claims (5)

1. 第１の周波数帯で動作する第１のループコイルと、
   前記第１のループコイルと電気的に接続された第１の入出力部と、
   前記第１の入出力部に設けられたスイッチと、
   第２の周波数帯で動作する第２のループコイルと、
   前記第２のループコイルと電気的に接続された第２の入出力部と、を備え、
   前記スイッチは、前記第１のループコイルで無線伝送する場合は前記第１のループコイルと前記第１の入出力部との間を電気的に接続し、前記第２のループコイルで無線伝送する場合は前記第１のループコイルと前記第１の入出力部との間を電気的に切断することを特徴とするコイル装置。
2. 請求項１に記載のコイル装置であって、
   前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも低い周波数であることを特徴とするコイル装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のコイル装置であって、
   前記第１のループコイルと前記第２のループコイルが同心円状かつ同一平面に配置されたことを特徴とするコイル装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載のコイル装置であって、
   前記第１のループコイルと前記第２のループコイルが厚み方向で一部重なるように配置されたことを特徴とするコイル装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のコイル装置を備えた携帯無線端末。

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