JP2015149630A - 非接触信号伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 非接触信号伝送装置の送受信先アンテナとの結合係数を向上させること。【解決手段】 非接触信号伝送装置は、軟磁性を有する磁性体１、ループ状のコイル２、導電体板１１ａ、１１ｂを備えている。磁性体１は、導電体板１１ａ、１１ｂの間に配され、磁性体１の一部端面１０１が、導電体板１１ａ、１１ｂの間における端部より露出することで、一部端面１０１に時間変動磁場の磁束が集中する。このため、一部端面１０１にループ状のコイル２を重ねることで、一部端面１０１に集中した磁束は全てコイル２の内側を通ることになり、結合係数が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、通信信号や電力信号等を非接触で伝送する非接触信号伝送装置に関する。

コイルアンテナ間の電磁誘導により通信を行う技術の改善検討が行われている。

例えば、特許文献１の段落００５５等には、磁性体にコイルを巻き回したものを、金属板の間に挟みこむよう構成することで、多重反射効果によって感度が上昇する技術の記載がある。

特開２００９−１３０４４６号公報

特許文献１の構成では、コイルの巻線間からの磁束の漏れを考慮していない。

すなわち、特許文献１におけるコイルアンテナ構成を示す図である図９にある通り、第１の導電体板１１ａと、第２の導電体板１１ｂの間における端部近傍にある磁性体１の端面より入り込み、コイル２により周回される面を全て通過する経路の磁束Ｂ１のほか、コイル２の巻き回された面を全て通過せず、コイル２の側面から出てくる経路の磁束Ｂ２も存在する。

このような磁束Ｂ２の存在により、コイル２での時間変動磁場の検出感度が低くなり、送受信先アンテナとの結合係数（以下結合係数）が低下してしまうという課題がある。

従って本発明は、非接触信号伝送装置の結合係数向上を目的とする。

上記課題を本発明は、軟磁性を有する磁性体、ループ状のコイル、第１の導電体板、第２の導電体板を備え、前記磁性体は、前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間に配され、前記磁性体の一部端面が、前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間における端部近傍にあるか、又は前記端部より露出し、前記コイルにより囲まれる領域が前記磁性体の端面と重なる部分は、前記一部端面のみである非接触信号伝送装置によって解決する。

第１の導電体板と、第２の導電体板の間における端部近傍に配された一部端面には磁束が集中する。

その一部端面にループ状のコイルを重ねることで、一部端面に集中した磁束は全てコイルの内側を通ることになり、特許文献１における構成よりも結合係数が向上する。

また、前記磁性体の一部端面が、前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間より露出していることが望ましい。

一部端面が露出することで磁束はより集中することになり、結合係数がさらに向上するためである。

また、前記一部端面と、前記一部端面と対向する他部端面の間の側部端面の中央部が前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間に配されていることが望ましい。

側部端面が第１の導電体板と第２の導電体板の間より露出しないことで、コイルの無い側部端面への磁束分散を防ぎ、結合係数低下を防ぐことができるためである。

また、前記一部端面のみが前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間より露出していることが望ましい。

磁束が露出した一部端面のみに集中することで、結合係数をさらに高めることができるためである。

また、前記コイルの巻線領域、及び前記コイルにより囲まれる領域は、前記磁性体と前記第１の導電体板及び前記第２の導電体板の間の領域における前記一部端面の近傍、並びに前記一部端面と重なる部分にのみ配されていることが望ましい。

コイルの巻線領域を一部端面及びその近傍に配することで、磁束を漏れなくコイルにより囲まれる領域に集中させることができ、結合係数をさらに向上させることができるためである。

また、前記磁性体は、軟磁性を有する磁性シートを折り返すことで構成され、前記一部端面が、前記磁性シートの折り返し部分にあることが望ましい。

後述の実施例より、磁性シートの折り返し部分を一部端面とすることで、結合係数をさらに向上させることができるためである。

本発明によって、磁性体の一部端面に磁束を集中させ、その磁束を漏れなくコイルにより囲まれる領域に集中させることができるため、電磁誘導効果を最大限に利用し、結合係数を高めることができる。

本発明の実施形態１における非接触信号伝送装置を示す図である。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ面の断面図、図１（ｃ）は平面図である。 本発明の実施形態２における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図１（ｃ）の変形例に対応する。 本発明の実施形態３における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図２の変形例に対応する。 本発明の実施形態４における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図２の変形例に対応する。 本発明の実施形態５における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図１（ａ）の変形例に対応する。 評価実験の配置関係を示す図である。 比較例と本発明の実施例１における、なす角度θと結合係数の関係を示す図である。 本発明の実施例１、２における、なす角度θと結合係数の関係を示す図である。 特許文献１におけるコイルアンテナ構成を示す図である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における非接触信号伝送装置を示す図である。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ面の断面図、図１（ｃ）は平面図である。

本実施形態における非接触信号伝送装置は、送受信先アンテナと電磁誘導により、通信信号や電力伝送信号を送信、又は受信することができる。

本実施形態における非接触信号伝送装置は、図１（ａ）に示す通り、軟磁性を有する板状の磁性体１、ループ状のコイル２、導電体板１１ａ、１１ｂを備えている。

磁性体１は、導電体板１１ａ、１１ｂの間に配され、磁性体１の一部端面１０１が、導電体板１１ａ、１１ｂの間における端部より露出することで、一部端面１０１に時間変動磁場の磁束が集中する。

なお、磁性体１の一部端面１０１が、導電体板１１ａ、１１ｂの間における端部より露出せず、端部近傍にあっても時間変動磁場の磁束集中の効果が得られる。

コイル２の巻線領域、及びコイル２により囲まれる領域が磁性体１の端面と重なる部分は、一部端面１０１のみである。

なお、一部端面１０１と、対向する図示されない他部端面の間の側部端面１０２が導電体板１１ａ、１１ｂの間に配されている。

すなわち、一部端面１０１のみが導電体板１１ａ、１１ｂの間より露出している。

導電体板１１ａ、１１ｂの間における端部近傍に配された一部端面１０１には磁束が集中するため、一部端面１０１にループ状のコイル２を重ねることで、一部端面１０１に集中した磁束は全てコイル２の内側を通ることになり、特許文献１における構成よりも結合係数が向上する。

また、コイル２は、図１（ｂ）に示す通り、コイル２の巻線領域、及びコイル２により囲まれる領域が、磁性体１と導電体板１１ａ、１１ｂとの間の領域における一部端面１０１の近傍、並びに一部端面１０１と重なる部分にのみ配されている。

コイル２の巻線領域を一部端面１０１及びその近傍に配することで、磁束を漏れなくコイル２により囲まれる領域に集中させることができ、結合係数をさらに向上させることができる。

なお、コイル２の巻線領域は、導電体板１１ａ側の巻線領域と導電体板１１ｂ側の巻線領域が必ずしも対向する必要は無く、導電体板１１ａ側と導電体板１１ｂ側でずらして巻線領域としてもよい。

図１（ｃ）は、本実施形態における非接触信号伝送装置の磁性体１内部を通過する磁束Ｂ１、Ｂ２の経路を示している。

一部端面１０１より磁性体１内部を貫通する磁束Ｂ１は、コイル２により囲まれる領域を通過するため、結合係数向上に寄与する。

また、磁性体１の一部端面１０１より側部端面１０２に貫通する磁束Ｂ２も、コイル２により囲まれる領域を通過するため、結合係数向上に寄与する。

すなわち、特許文献１の構成のように、磁束Ｂ２がコイル２の側面から出てくることがないため、特許文献１の構成よりも結合係数が向上する。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図１（ｃ）の変形例に対応する。

実施形態１における図１（ｃ）とは、コイル２の巻線領域が一部端面１０１からはみ出している点が異なる。

このような構成でも磁束Ｂ１、Ｂ２はコイル２により囲まれる領域を通過するため結合係数向上効果がある。

さらに、コイル２により囲まれる領域が一部端面１０１全体を覆うよう重なっているため、一部端面１０１の全面より入り込む磁束全てが結合係数向上に寄与し、実施形態１の構成と同等の結合係数を有する。

（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図２の変形例に対応する。

実施形態２における図２とは、一部端面１０１と対向する他部端面１０３が導電体板１１ａ、１１ｂより露出している点が異なる。

これにより他部端面１０３にも磁束が集中する場合があるため、露出した他部端面１０３より側部端面１０２に貫通する磁束Ｂ３はコイル２により囲まれる領域を貫通せず、結合係数向上に寄与しない。

従って、実施形態３よりも実施形態１、２の結合係数が高い。

（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図２の変形例に対応する。

実施形態２における図２とは、互いに対向する２つの側部端面１０２が導電体板１１ａ、１１ｂより露出している点が異なる。

なお、図４中で磁束Ｂ１と磁束Ｂ４が交差しているが、これは磁束Ｂ１と磁束Ｂ４が同時に存在することを示すのではなく、磁束Ｂ１と磁束Ｂ４のいずれかが存在することを示している。

これにより、他部端面１０３及び側部端面１０２にも磁束が集中する場合があるため、露出した他部端面１０３より側部端面１０２に貫通する磁束Ｂ３、及び露出した一方の側部端面１０２より他方の側部端面１０２に貫通する磁束Ｂ４はコイル２により囲まれる領域を貫通せず、結合係数向上に寄与しない。

従って、実施形態４よりも実施形態１、２、３の結合係数が高い。

（実施形態５）
図５は、本発明の実施形態５における非接触信号伝送装置を示す平面図であり、図１（ａ）の変形例に対応する。

実施形態１における図１（ａ）とは、磁性体がコの字に折り曲げられた形状をしており、導電体板１１ａに対向する第１板部１００１、導電体板１１ｂに対向する第２板部１００２、及び第１板部１００１と第２板部１００２を連結する折り返し部１００３より構成されている。

折り返し部１００３は、一部端面１０１を有し、導電体板１１ａ、１１ｂの間より露出している。

第１板部１００１と第２板部１００２の間には隙間が設けられ、空隙としても良いが、形態を安定させるために非磁性体で隙間を充填しても良い。

また、回路基板に本実施形態の非接触信号伝送装置を取り付ける場合は、第１板部１００１と第２板部１００２の間に回路基板を挟み込むよう構成しても良い。

このような構成とすることで、回路基板の一方の主面上に非接触信号伝送装置を設ける場合よりも、回路基板を含めた非接触信号伝送装置の厚み寸法を薄く構成することができる。

（実施例１）
実施例１の非接触信号伝送装置は、実施形態１における図１の構成を取った。

外形寸法５６ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＮｉＺｎフェライト板両面に形態保持のための片面粘着テープを貼り付け磁性体１とした。

フレキシブルプリント基板に、外形寸法５６ｍｍ×５ｍｍ、パターン幅０．３ｍｍ、パターン間隔０．２ｍｍ、３回巻きの導体パターンを形成し、形成した導体パターンをコイル２とした。

磁性体１の５６ｍｍ辺を一部端面１０１として、一部端面１０１全面にコイル２を折り被せるようにして貼り付けた。

さらに、外形寸法５６ｍｍ×１１ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔を導電体板１１ａ、１１ｂとし、磁性体１とコイル２の複合体両面へ、一部端面１０１が１ｍｍ露出するように貼り付けることで作成した。

（実施例２）
実施例２の非接触信号伝送装置は、実施形態５における図５の構成を取った。

外形寸法５６ｍｍ×２７ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＮｉＺｎフェライト板両面に実施例１と同様に片面粘着テープを貼り付け磁性体１とした。

さらに磁性体１の２７ｍｍ辺が、１２ｍｍ、３ｍｍ、１２ｍｍに分割されるようにコの字型に折り曲げ、第１板部１００１及び第２板部１００２の寸法を５６ｍｍ×１２ｍｍ、折り返し部１００３の寸法を５６ｍｍ×３ｍｍとした。

フレキシブルプリント基板に、外形寸法５６ｍｍ×７ｍｍ、他は実施例１と同様の導体パターンを形成し、形成した導体パターンをコイル２とした。

折り返し部１００３を一部端面１０１として、一部端面１０１全面にコイル２を折り被せるようにして貼り付けた。

さらに、外形寸法５６ｍｍ×１１ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔を導電体板１１ａ、１１ｂとし、磁性体とコイル２の複合体両面へ、一部端面１０１が１ｍｍ露出するように貼り付けることで作成した。

（比較例）
比較例の非接触信号伝送装置は、図９の構成を取った。

外形寸法５６ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＮｉＺｎフェライト板両面に実施例１と同様に片面粘着テープを貼り付け磁性体１とした。

磁性体１に厚み０．０３５ｍｍ、幅０．３ｍｍの銅箔テープを５回巻き付けてコイル２とした。

さらに、外形寸法５６ｍｍ×１１ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔を導電体板１１ａ、１１ｂとし、磁性体１とコイル２の複合体両面に貼り付けることで作成した。

（評価実験）
図６は、評価実験の配置関係を示す図である。

プリント基板上に導体厚さ０．０３５ｍｍ、外径７０ｍｍ、パターン幅０．７ｍｍ、パターン間隔０．３ｍｍ、２回巻きの導体コイルパターンを形成し、これを送信アンテナ３とした。

実施例１、２と比較例の非接触信号伝送装置における磁性体１及び導電体板１１ａ、１１ｂと送信アンテナ３の取り付け面とのなす角度θに対する、非接触信号伝送装置と送信アンテナ３の間の結合係数を評価した。

なお、この角度θは図１（ｃ）、図９で示される非接触信号伝送装置の検出軸となる磁束Ｂ１の向きと送信アンテナ３の取り付け面となす角度とも等しい。

図７は、比較例と本発明の実施例１と比較例における、なす角度θと結合係数の関係を示す図である。

比較例よりも実施例１の結合係数が高いことを示している。

また、角度が０度、１８０度に近付くと比較例では結合係数が急激に低下するが、実施例１では結合係数の低下が緩やかであり、比較例よりも指向性が拡大している。

すなわち、実施例１は、比較例よりも結合係数が高く、指向性も拡大している結果となった。

図８は、本発明の実施例１、２における、なす角度θと結合係数の関係を示す図である。

図８では、実施例２は、実施例１よりも結合係数が高いことを示している。

１ 磁性体
２ コイル
３ 送信アンテナ
１１ａ、１１ｂ 導電体板
１０１ 一部端面
１０２ 側部端面
１０３ 他部端面
１００１ 第１板部
１００２ 第２板部
１００３ 折り返し部
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ 磁束
θ 角度

Claims (6)

1. 軟磁性を有する板状の磁性体、
   ループ状のコイル、
   第１の導電体板、
   第２の導電体板を備え、
   前記磁性体は、前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間に配され、
   前記磁性体の一部端面が、前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間における端部近傍にあるか、又は前記端部より露出し、
   前記コイルにより囲まれる領域が前記磁性体の端面と重なる部分は、前記一部端面のみであることを特徴とする非接触信号伝送装置。
2. 前記磁性体の一部端面が、前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間より露出していることを特徴とする請求項１に記載の非接触信号伝送装置。
3. 前記一部端面と、前記一部端面と対向する他部端面の間の側部端面の中央部が前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間に配されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非接触信号伝送装置。
4. 前記一部端面のみが前記第１の導電体板と、前記第２の導電体板の間より露出していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の非接触信号伝送装置。
5. 前記コイルの巻線領域、及び前記コイルにより囲まれる領域は、前記磁性体と前記第１の導電体板及び前記第２の導電体板の間の領域における前記一部端面の近傍、並びに前記一部端面と重なる部分にのみ配されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の非接触信号伝送装置。
6. 前記磁性体は、軟磁性を有する磁性シートを折り返すことで構成され、
   前記一部端面が、前記磁性シートの折り返し部分にあることを特徴とする
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の非接触信号伝送装置。

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