JP2015008426A - アンテナ、及び通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インダクタンス値を大きくしながら抵抗を小さくするアンテナを小型化すること。【解決手段】 第１の平面に第１の幅を有する第１の導体を導体間の距離が第２の幅となるように渦巻状に配置すると共に、第１の平面と平行の第２の平面に第１の幅を有する第２の導体を導体間の距離が第２の幅となるように渦巻状に配置して、第１の導体の渦の内側と第２の導体の渦の内側とを導体により接続して形成されるアンテナが提供される。このアンテナにおいて、第１の導体の渦における外側から内側へ向かう方向と、第２の導体における内側から外側へ向かう方向とが、１つの方向から見て一致し、第１の幅は第２の幅以上であり、第１の導体の渦または第２の導体の渦の軸から半径方向に見て、少なくとも一部において第１の導体と第２の導体とが互い違いに配置される。【選択図】 図１

Description

本発明は電力伝送用のアンテナに関する。

無線電力伝送において、伝送効率の向上、又は伝送距離の延長等を実現するために、アンテナのインダクタンス値を大きくするとともに、アンテナの抵抗を小さくすることが考えられる。アンテナのインダクタンス値を大きくすることは、アンテナのサイズを大きくするか、コイルの巻き数を増やすことにより達成できる。しかしながら、アンテナのサイズは、そのアンテナを搭載する無線通信装置によって制限される。また、コイルの巻き数を増やすことも、やはり無線通信装置の大きさの観点から限界があり、小さいスペースで巻き数を増やすと、アンテナを構成する導体間の距離が近接し、導体間の浮遊容量や近接効果によって抵抗が増大する場合がある。

これに対して、基板を多数重ねて、多層基板上にコイルを形成することが考えられている。特許文献１には、多層構造でＲＦＩＤ用のアンテナを構成することにより、インダクタンス値を大きくする技術が記載されている。しかしながら、特許文献１においては、基板の表面と裏面とに渦巻状に導体を配置し、その表面と裏面とに形成される導体を互いに対向するように配置するため、表面と裏面の導体間に生じる浮遊容量や近接効果によって抵抗成分が大きくなる。

ここで、アンテナにおけるコイルのＱ値は、
Ｑ ＝ ２πｆＬ／ｒ （式１）
により与えられる。ここで、Ｌはアンテナのインダクタンス、ｒはアンテナの内部抵抗である。特許文献１では、ＲＦＩＤを対象としたアンテナについて記載しているところ、ＲＦＩＤではＱを低くするため、インダクタンスが増えた分、内部抵抗を高くすることが重要となる。一方で、無線電力伝送では、内部抵抗が伝送効率に影響を与えるため、インダクタンス値を大きくしながら、内部抵抗を小さく抑えることが重要となる。

これに対して、特許文献２及び特許文献３には、多層構造とするときに、表面の導体パターンと裏面の導体パターンとをずらして配置することが記載されている。特許文献２及び特許文献３に記載の技術では、表面パターンと裏面パターンとが重なる場合に生じる浮遊容量を抑えるため、導体間のギャップを導体の幅よりも大きくとり、浮遊容量を小さくしている。

特開平１０−１４５２６７号公報 特開２０１２−１２０４１０号公報 特開２０１１−０８６８９０号公報

居村岳広、「電磁界共振結合を用いたワイヤレス電力伝送に関する研究」、博士論文、東京大学、電気工学専攻、２０１０年

しかしながら、特許文献２及び特許文献３の方法では、多層間での浮遊容量を小さくするため、第１層に配置される導体と第２層に配置される導体との間でも適切な距離を離す必要があり、アンテナの小型化には限界があるという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、インダクタンス値を大きくしながら抵抗を小さくするアンテナを小型化することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によるアンテナは、第１の平面に第１の幅を有する第１の導体を導体間の距離が第２の幅となるように渦巻状に配置すると共に、前記第１の平面と平行の第２の平面に前記第１の幅を有する第２の導体を導体間の距離が前記第２の幅となるように渦巻状に配置して、前記第１の導体の渦の内側と前記第２の導体の渦の内側とを導体により接続して形成されるアンテナであって、前記第１の導体の渦における外側から内側へ向かう方向と、前記第２の導体における内側から外側へ向かう方向とが、１つの方向から見て一致し、前記第１の幅は前記第２の幅と同じ又は前記第２の幅より大きく、前記第１の導体の渦または第２の導体の渦の軸から半径方向に見て、少なくとも一部において前記第１の導体と前記第２の導体とが互い違いに配置されることを特徴とする。

本発明によれば、インダクタンス値を大きくしながら抵抗を小さくするアンテナを小型化することができる。

第１のアンテナ形状例を示す模式図。 従来のアンテナ形状と第１のアンテナ形状例の構成の比較図。 第２のアンテナ形状例を示す模式図。 従来のアンテナ形状と第２のアンテナ形状例の構成の比較図。 アンテナ形状ごとのインダクタンス値と抵抗の特性を示す表。 線幅と線間ギャップに対するインダクタンス値と抵抗の特性を示す表。 アンテナパターンが形成される第１層と第２層とを別々の基板で構成した場合のアンテナ形状例の断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、主にアンテナの構成について説明するが、このアンテナは、通信装置に外付けされるアンテナであってもよいし、内蔵されるアンテナであってもよい。通信装置は、このアンテナを用いて、電力伝送を行うことができる。すなわち、通信装置は、このアンテナを用いて電力の給電を行う給電装置、又はこのアンテナを用いて電力の受電を行う受電装置であってもよく、例えば、受電した電力を用いて通信を行う通信装置であってもよい。

（概要）
本実施形態に係るアンテナは、特許文献３に記載のアンテナと同様に、多層構造を取り、第１の平面（例えば基板の表面）に第１の導体を渦巻状に配置すると共に、第１の平面と平行な第２の平面（例えば基板の裏面）に第２の導体を同じく渦巻状に配置する。そして、第１の導体の渦の内側と第２の導体の渦の内側とが、導体によって、例えば基板を貫通して接続される。すなわち、第１の導体の渦の外側から、第２の導体の渦の外側まで、１つの連続した導体として形成される。

このとき、第１の導体の渦の外側から内側へ向かう方向と、第２の導体の内側から外側へ向かう方向とが、第１の導体の形成される面または第２の導体の形成される面のいずれかから見て一致するように形成される。すなわち、１つのコイルとして、導体が同じ向きに巻き回されるように、第１の導体と第２の導体とが形成される。このとき、第１の導体と第２の導体とは、特許文献３に記載のアンテナと同様に、渦の軸から半径方向に見て、少なくとも一部において互い違いに配置される。すなわち、第１の導体の渦と第２の導体の渦とを、一定の幅を有する各導体の中心を通る線で表した場合に、その線が少なくとも一部において対向しないように構成される。この結果、その少なくとも一部の部分においては、第１の導体の一部が、第２の導体の渦における導体間のギャップに対向し、同様に、第２の導体の一部が、第１の導体の渦における導体間のギャップに対向することとなる。

なお、本実施形態に係るアンテナは、第１の導体と第２の導体とが同じ第１の幅を有し、同様に、第１の導体の渦及び第２の導体の渦は、その渦の中において導体間の距離が第２の幅となるように形成され、第１の幅は第２の幅以上となるようにする。すなわち、導体の幅の方が、導体間ギャップより広いこととなる。このため、第１の導体が第２の導体の渦における導体間のギャップに対向するものの、その外縁部分においては、第２の導体そのものと対向することとなる。

（アンテナ構成例）
以下、上述のアンテナの具体的な構成例について、図１〜図４を用いて説明する。図１及び図３は、本実施形態に係るアンテナ形状の第１の例と第２の例とをそれぞれ示す。なお、以下の説明では、１つの基板の表面と裏面に、それぞれアンテナパターンを形成するが、これに限られない。例えば、複数の基板を重ねた多層構造の基板における互いに平行な各層（基板と基板との間）にアンテナパターンが形成されてもよい。

図１において、１０１は給電点、１０２は表面パターン、１０３は裏面パターン、１０４及び１０７は、表面パターン１０２と裏面パターン１０３が接合するスルーホールがある点を示す。また、１０５は表面パターン１０２及び裏面パターン１０３の導体が有する第１の幅を、１０６は表面パターン１０２及び裏面パターン１０３の線間ギャップの第２の幅を、それぞれ示す。

図１のアンテナにおいては、上述のように、第１の幅１０５の導体を、導体間の距離を第２の幅１０６だけ離して渦巻状に配線することにより表面パターン１０２が形成される。表面パターン１０２は、スルーホール１０７を経由して、裏面パターン１０３と導体により接続される。裏面パターン１０３は、表面パターン１０２と同様に、第１の幅１０５の導体を、導体間の距離を第２の幅１０６だけ離して渦巻状に配線することにより形成される。このとき、図１のように、表面パターン１０２の渦の外側から内側へ向かう方向と、裏面パターン１０３の渦の内側から外側へ向かう方向とは、共に反時計回りであり、これらの方向はこのように一方向（表面側又は裏面側）から見て一致するように構成される。

ここで、表面パターン１０２及び裏面パターン１０３は、渦の中心（軸）から、半径方向に見て、少なくとも一部において互い違いに配置される。例えば、表面方向から見て、表面パターン１０２と裏面パターン１０３とが交差する箇所以外では対向しないように、パターンが形成される。なお、図１においては、このような構成とするために、裏面パターン１０２の巻き数は、表面パターン１０２の巻き数より１だけ少なくなっている。このような構成にすることにより、アンテナ全体の大きさを、表面パターン１０２の外形のサイズ内に収めることができる。なお、導体の幅（第１の幅）は、導体間の距離（第２の幅）以上である。

このときの、渦の軸からアンテナの１つの半径方向（図１の点Ｏ〜点Ｐ）における断面図の例を図２に示す。なお、図２は、図１の正確な断面図ではなく、表面の巻き数が５で、裏面の巻き数が４である場合についての例示的な構成を示したものである。ここで、特許文献３に記載の従来の構成の断面図を図２（ａ）に、本実施形態に係るアンテナで、第１の幅１０５と第２の幅１０６とが等しい場合の断面図を図２（ｂ）に、第１の幅１０５が第２の幅１０６より大きい時の断面図を図２（ｃ）に示す。なお、図２（ａ）〜（ｃ）において、３０１はアンテナのベースとなる基板を示す。

本実施形態に係るアンテナは、特許文献３に記載のアンテナと同様に、第１層（表面）に形成されるアンテナパターンが、第２層（裏面）における導体間ギャップと対向するように形成される。したがって、渦の軸から半径方向に見て、第１層と第２層とにおいて、互い違いに導体が形成される。従来例のアンテナと本実施形態に係るアンテナとの主な差異は、導体の幅（第１の幅）が、導体間ギャップ（第２の幅）以上であることである。このため、例えば、導体幅とギャップ幅とが等しい場合は、図２（ｂ）のように、例えば表面方向から見て、表面の導体の位置が裏面のギャップの位置と一致する。そして、導体幅がギャップ幅より大きい場合は、図２（ｃ）のように、表面の導体の端の部分と、裏面の導体の端の部分とが対向することとなる。したがって、従来例と比べて、本実施形態に係るアンテナは、導体間の距離を小さくすることができるため、アンテナを小型化することが可能となる。

図３の、アンテナ形状の第２の例も、図１のアンテナ形状の第１の例と同様に構成することができる。図３においては、表面パターンの巻き数と裏面パターンの巻き数とが等しくなっており、インダクタンス値をさらに高めることが可能となっている。

図３においても、図１と同様に、２０１は給電点、２０２は表面パターン、２０３は裏面パターン、２０４及び２０７は、表面パターン２０２と裏面パターン２０３が接合するスルーホールがある点である。また、図１の場合と同様に、２０５は表面パターン２０２及び裏面パターン２０３の導体が有する第１の幅を、２０６は表面パターン２０２及び裏面パターン２０３の線間ギャップの第２の幅を、それぞれ示す。

図３のアンテナにおいても、上述のように、第１の幅２０５の導体を、導体間の距離を第２の幅２０６だけ離して渦巻状に配線することにより表面パターン２０２が形成される。表面パターン２０２は、スルーホール２０７を経由して、裏面パターン２０３と導体により接続される。裏面パターン２０３は、表面パターン２０２と同様に、第１の幅２０５の導体を、導体間の距離を第２の幅２０６だけ離して渦巻状に配線することにより形成される。このとき、図３のように、表面パターン２０２の渦の外側から内側へ向かう方向と、裏面パターン２０３の渦の内側から外側へ向かう方向とは、共に反時計回りであり、これらの方向はこのように一方向（表面側又は裏面側）から見て一致するように構成される。

ここで、表面パターン２０２及び裏面パターン２０３も、図１の例と同様に、渦の中心（軸）から、半径方向に見て、少なくとも一部において互い違いに配置される。例えば、表面方向から見て、表面パターン２０２と裏面パターン２０３とが交差する箇所以外では対向しないように、パターンが形成される。

このときの、渦の軸からアンテナの１つの半径方向（図３の点Ｏ〜点Ｐ）における断面図の例を図４に示す。なお、図４は、図３の正確な断面図ではなく、表面の巻き数と裏面の巻き数とが共に５である場合についての例示的な構成を示したものである。ここで、特許文献３に記載の従来の構成の断面図を図４（ａ）に、本実施形態に係るアンテナで、第１の幅２０５と第２の幅２０６とが等しい場合の断面図を図４（ｂ）に、第１の幅２０５が第２の幅２０６より大きい時の断面図を図４（ｃ）に示す。なお、図４（ａ）〜（ｃ）において、４０１はアンテナのベースとなる基板を示す。

図４においても、図２の例と同様に、渦の軸から半径方向に見て、第１層と第２層とにおいて、互い違いに導体が形成される。従来例のアンテナと本実施形態に係るアンテナとの主な差異は、導体の幅（第１の幅）が、導体間ギャップ（第２の幅）以上であることである。このため、例えば、導体幅とギャップ幅とが等しい場合は、図４（ｂ）のように、例えば表面方向から見て、表面の導体の位置が裏面のギャップの位置と一致する。そして、導体幅がギャップ幅より大きい場合は、図４（ｃ）のように、表面の導体の端の部分と、裏面の導体の端の部分とが対向することとなる。したがって、従来例と比べて、本実施形態に係るアンテナは、導体間の距離を小さくすることができるため、アンテナを小型化することが可能となる。

（アンテナの特性）
続いて、本実施形態のアンテナの特性について説明する。非特許文献１に示されるように、アンテナの最高効率は以下の式で示される。
Ｈ ＝ （Ｚ‐ｒ）／（Ｚ＋ｒ）
＝ （Ｚ‐ｒ）２／（Ｌｍ×２πｆ）２
＝ （Ｌｍ×２πｆ）２／（Ｚ＋ｒ）２ （式２）
式２において、Ｈは効率、Ｚは特性インピーダンス、ｒはアンテナの抵抗、Ｌｍは相互インダクタンス、ｆは伝送周波数を示す。ここで、非特許文献１によれば、最高効率となる相互インダクタンスは、
Ｌｍ ＝ （（Ｚ−ｒ）（Ｚ＋ｒ））^1/2／２πｆ （式３）
により与えられ、この相互インダクタンスは、周波数と特性インピーダンス及び内部抵抗によって決まる。

送電側アンテナと受電側アンテナをある距離で対向させると、アンテナ間が電磁気的に結合する。一般に、対向するアンテナが同一のとき、相互インダクタンスＬｍ’は以下の式であらわされる。
Ｌｍ’ ＝ ｋＬ （式４）
なお、式４において、ｋはアンテナ間の結合係数、Ｌはアンテナのインダクタンス値を示す。結合係数ｋは、アンテナ間の距離に応じて変化する値で、０以上１以下の値で示され、数字が大きいほど結合度が高いことを示す。

ある距離で式４から求まる相互インダクタンスＬｍ’が、式３の相互インダクタンス以上となっている時には、高い伝送効率を確保できる。したがって、式３から求まる相互インダクタンスＬｍの何倍のインダクタンス値をアンテナが有するかによって、高い伝送効率を維持して伝送できる距離が変わることとなる。

ここで、図５に、片面だけに５巻のパターンを形成したアンテナ、両面５巻で表面パターンと裏面パターンとが対向しているアンテナ、図１のタイプで表面５巻、裏面４巻のアンテナ、図３のタイプで表面５巻、裏面５巻のアンテナの解析結果をそれぞれ示す。この解析では、アンテナは一辺が５ｃｍの正方形で、導体の厚さが４００ｕｍとし、また、動作周波数を１３．５６ＭＨｚとした。

図５から、両面５巻で表面パターンと裏面パターンが対向しているアンテナは、同じパターンを裏面に配置しただけだが、片面５巻のアンテナの特性の倍とならず、インダクタンス値も抵抗もともに大きく増加していることが分かる。これは、特許文献３でも述べられているように、表面パターンと裏面パターン間に生じる浮遊容量や導体間の近接効果によって、インダクタンス値や抵抗が変化するためである。この時、同じアンテナを対向させると、式２から、最高効率は８８％となる。

一方、図１や図３に示すアンテナのように、表面と裏面のパターンをずらすと、片面５巻のアンテナよりもインダクタンス値を大きくでき、両面５巻で表面パターンと裏面パターンが対向しているアンテナよりも抵抗を抑えることができていることが分かる。このとき、図１のタイプのアンテナで表面５巻、裏面４巻のアンテナを用いると、最高効率は９５％となる。そして、図３のタイプのアンテナで表面５巻、裏面５巻のアンテナを用いると、最高効率は９１％となる。このように、アンテナの抵抗を小さくすることにより、最高伝送効率を向上させることができる。

次に、図６に、図１のタイプで表面５巻、裏面４巻のアンテナ、図３のタイプで表面５巻、裏面５巻のアンテナにおいて、線間ギャップを２ｍｍとし、線幅を２ｍｍから２．９ｍｍの範囲で０．１ｍｍきざみで変化させた場合の解析結果を示す。また、特許文献３の従来技術に相当する、図１のタイプで表面５巻、裏面４巻のアンテナ、図３のタイプで表面５巻、裏面５巻のアンテナにおいて、線間ギャップを２ｍｍ、線幅１．５ｍｍとした場合の解析結果（表の１番上の項目）もあわせて示す。

図６から、線幅を太くし、表面パターンと裏面パターンが対向する部分の割合を増やすと、インダクタンス値は小さくなるが、抵抗も併せて小さくなることがわかる。したがって、伝送効率を高めることを主目的とする場合は、表面パターンと裏面パターンとが対向する部分の割合を増やすことでこれに対応することができる。このとき、式３によってある伝送周波数で必要な相互インダクタンスが決まるため、式４との関連で、所望の伝送距離がとれるように、表面パターンと裏面パターンとが対向する部分の割合が制限されることになる。

以上、本実施形態に係るアンテナによれば、導体の幅が導体間ギャップの幅以上となるようにすることで、アンテナの小型化を図ることができる。また、表面パターンと裏面パターンとが対向する部分の割合を制御することにより、アンテナの目的に応じたインダクタンス値及び抵抗値を制御することが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、アンテナパターンが形成される第１層と第２層とが、それぞれ１つの基板の表面と裏面とに相当する例について説明したが、これに限られない。例えば、図７に示すように、第１のアンテナパターンを第１の基板に、第２のアンテナパターンを第２の基板に、それぞれ形成し、これらのアンテナパターンをスルーホールを通じて導体で接続することによって、１つのアンテナを構成してもよい。なお、図７は、第１の基板７０１上に５巻の第１層のアンテナパターンが、第２の基板７０２上に４巻の第２層のアンテナパターンが形成される場合の、アンテナ形状例の断面図である。図７のように、２つの基板の表面にそれぞれアンテナパターンを形成し、その裏面同士が同一面となるように貼りあわせることにより、上述の実施形態に係るアンテナと同様の効果を得ることが可能となる。

また、第１の基板７０１と、第２の基板７０２との相対位置を可変とすることにより、例えば、第１層と第２層にそれぞれ形成されたアンテナパターンの導体同士が対向する構成と対向しない構成との間で、アンテナの構成を切り替えることができる。すなわち、アンテナの特性を、図５の２行目の状態と、３行目又は４行目の状態とから選択して設定することができる。したがって、伝送距離が必要な場合にはインダクタンスを大きくするために、表面パターン１０２と裏面パターン１０３が対向するように、第１の基板７０１と第２の基板７０２とのいずれかの位置を変えて、相対位置を可変させることができる。同様に、伝送効率を向上させたい場合には、抵抗が小さくなるように裏面パターンが表面パターンの線間ギャップと対向するように、第１の基板７０１と第２の基板７０２とのいずれかの位置を変えて、相対位置を可変させることができる。同様に、表面パターンと裏面パターンとが対向する部分の割合を変化させるために、第１の基板７０１と第２の基板７０２とのいずれかの位置を変えて、相対位置を可変させてもよい。

なお、図７においては、表面パターンの巻き数が５で、裏面パターンの巻き数が４である場合について示したが、表面パターンと裏面パターンとの巻き数が同じである場合も同様の構成とすることができる。

Claims (6)

1. 第１の平面に第１の幅を有する第１の導体を導体間の距離が第２の幅となるように渦巻状に配置すると共に、前記第１の平面と平行の第２の平面に前記第１の幅を有する第２の導体を導体間の距離が前記第２の幅となるように渦巻状に配置して、前記第１の導体の渦の内側と前記第２の導体の渦の内側とを導体により接続して形成されるアンテナであって、
   前記第１の導体の渦における外側から内側へ向かう方向と、前記第２の導体における内側から外側へ向かう方向とが、１つの方向から見て一致し、
   前記第１の幅は前記第２の幅と同じ又は前記第２の幅より大きく、前記第１の導体の渦または第２の導体の渦の軸から半径方向に見て、少なくとも一部において前記第１の導体と前記第２の導体とが互い違いに配置されることを特徴とするアンテナ。
2. 前記第２の導体の巻き数は、前記第１の導体の巻き数と同じ、または前記第１の導体の巻き数より１だけ少ないことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１の平面は前記アンテナが形成される基板の表面であり、前記第２の平面は前記基板の裏面であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記第１の平面は第１の基板の表面であり、前記第２の平面は前記第１の基板とは異なる第２の基板の表面であり、前記アンテナは、前記第１の基板の裏面と前記第２の基板の裏面とが同一の面となるように、前記第１の基板及び前記第２の基板を重ねあわせて構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
5. 前記第１の基板と前記第２の基板との相対位置を可変としたことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナを備えた通信装置。

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