JP2018019502A - 送受電アンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】通信と給電で送受信アンテナを共有し、通信および給電のそれぞれの目的に合致した適切な使い方を行うアンテナシステムを提供する。
【解決手段】送受電アンテナシステムは、通信および受電コイル４を設けた第１のアンテナシステム１と、第１のアンテナシステム１の通信および受電コイル４に、面方向において対向するように送電コイル５を設けた第２のアンテナシステム２とを含む。第１のアンテナシステム１の外側に磁性体３を配置し、磁性体３と第２のアンテナシステム２とが、第１のアンテナシステム１を挟み込んで、通信および給電のための送受電を行う。
【選択図】図１

Description

本開示は、通信用アンテナおよび無線給電機器として使用される送受電アンテナシステムに関する。

従来、電子鍵は、無線信号により非接触で錠前を施錠開錠させることが可能である。電子鍵は、機械的な鍵よりもセキュリティを向上させられ、利便性が向上する反面、機能が高度であるほど、内蔵した電池の消費電力が大きくなり、無線信号の通信による電池切れの懸念が高まっている。そのため、例えば、特許文献１には、車両のドアの施錠解錠において、一つの携帯キー（電子鍵）のアンテナだけで通信（錠前の施錠開錠）と給電（鍵の電池の充電）とを切り替えて共用し、使用するスマートエントリーシステムが開示されている。

特開２０１１−０６９１１５号公報

本開示の送受電アンテナシステムは、通信および受電コイルを設けた第１のアンテナシステムと、第１のアンテナシステムの通信および受電コイルに、面方向において対向するように送電コイルを設けた第２のアンテナシステムとを含み、第１のアンテナシステムの外側に磁性体を配置し、磁性体と前記第２のアンテナシステムとが、第１のアンテナシステムを挟み込んで、通信および給電のための送受電を行う。

本開示の送受電アンテナシステムの第１の実施形態を示す説明図である。 本開示に係る第１のアンテナシステムの一実施形態を示す説明図である。 本開示の送受電アンテナシステムの第２の実施形態を示す説明図である。 本開示の送受電アンテナシステムの第３の実施形態を示す説明図である。 本開示の送受電アンテナシステムの第４の実施形態を示す説明図である。 本開示に係る第１のアンテナシステムの別の実施形態を示す説明図である。

一般に使用されている通信用アンテナの場合は、例えば施錠開錠などの通信情報を車両などとやり取りするため、約１〜３ｍ程度の距離に無指向性の放射パターンが要求される。しかしながら、給電用アンテナの場合は、約５ｃｍ以内の近距離で送受電（給電）を行うため、指向性のある放射パターンが要求される。このように通信用と給電用とでそれぞれアンテナに要求される指向性が異なり、単純に特定周波数（例えば１２５ｋＨｚ）に共振するアンテナを共有するだけでは、通信および給電のそれぞれの目的に合致した適切な使い方が難しい。

本開示の送受電アンテナシステムは、第１のアンテナシステムの通信および受電コイルを介して第２のアンテナシステムの送電コイルと反対側に配置した磁性体により、給電時には、近距離での放射パターンの指向性を強め、且つ外部に放射パターンが漏れにくい構造にして給電の効率を上げる。また、第１のアンテナシステムを第２のアンテナシステムから離して行う通信時には、遠距離まで無指向性の放射パターンを広げることができる。さらに、２つの通信および受電コイルで送電コイルを挟み込む場合、通信と給電の同時使用が可能である。以下、本開示の送受電アンテナシステムについて詳細に説明する。

本開示の第１の実施形態に係る送受電アンテナシステム１０１を図１に示す。送受電アンテナシステム１０１は、基板１０に通信および受電コイル（以下、受電コイル）４を設けた第１のアンテナシステム１と、基板２０に送電コイル５を設けた第２のアンテナシステム２と、磁性体３とを含み、第２のアンテナシステム２と磁性体３とは、第１のアンテナシステム１を挟み込むように設けられる。

図２に示すように、第１のアンテナシステム１は、単体で使用時には、遠距離の無指向性アンテナである受電コイル４が通信回路（図示せず）のみに接続され、矢印に示す無指向性の放射パターンＡを放射する通信用アンテナとなる。この第１のアンテナシステム１は、例えば車両や外部機器などと通信（無線送信）を行ってドアの施錠開錠させることができる。

受電コイル４を備える基板１０は、例えばプラスチックなどで形成される筐体（図示せず）に入れて使用される。この筐体には、後述する送電コイル５からの無線給電で受電コイル４を通じて充電可能な二次電池（図示せず）が内蔵される。このとき、第１のアンテナシステム１は、内蔵した二次電池により単体で外部機器と通信を行うものであり、例えば車内や室内の入出のための電子鍵などが挙げられる。

この受電コイル４の形状や材質は、基板１０に備えられるものであるなら特に限定されないが、例えば銅箔または銅箔に銅めっきした導体に、レジストを露光・現像した後エッチングで形成や、銅などからなるワイヤやリッツ線を複数周巻回することにより形成され、例えばループアンテナなどであるのがよい。また、このときの基板１０の大きさは５〜３５ｍｍ角、厚みは０．１〜５ｍｍ程度であるのがよい。

この受電コイル４は、図１に示すように、第２のアンテナシステム２と磁性体３との間に配置された場合、第２のアンテナシステムの送電コイル５との間で非接触に送受電（無線給電を行い、通常時に通信などで使用する電力を充電することができる。なお、受電コイル４および送電コイル５はそれぞれ基板１０および２０上に形成されていても、内蔵されていてもよい。

第２のアンテナシステム２は、第１のアンテナシステム１と面方向において対向するように設けられ、受電コイル４と無線給電を行う送電コイル５を基板２０に備える。この送電コイル５は前述した受電コイル４と同様に銅箔または銅箔に銅めっきした導体に、レジストを露光・現像した後エッチングで形成や、ワイヤやリッツ線を複数周巻回することにより形成され、受電コイル４と面方向において対向するよう基板２０に設けられる。なお、送電コイル５は外部の回路などに接続されていてもよい。また、このときの基板２０の大きさは５〜３５ｍｍ角、厚みは０．１〜５ｍｍ程度であるのがよい。

第１のアンテナシステム１の外側の一方には、第２のアンテナシステム２とで第１のアンテナシステム１を挟み込むように磁性体３が配置される。このとき、受電コイル４からの放射パターン（電磁界）Ｂが磁性体３により周囲に漏れず閉じ込められて、指向性が制御されるため、受電コイル４と送電コイル５とによる送受電の効率が向上する。受電コイル４と送電コイル５との距離は０．１〜５０ｍｍ程度、受電コイル４と磁性体３との距離は０〜０．１ｍｍ程度であるのがよい。また、受電コイル４と送電コイル５とによる非接触の送受電（無線給電）は、例えばＱｉ規格（１２５ｋＨｚ）の周波数帯で行われる。

磁性体３の磁性材料としては特に限定されず、鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金、フェライトなどが挙げられる。これらの中でも加工のしやすさなどからスピネルフェライト（ソフトフェライト）がよい。スピネルフェライトは、透磁率が高く、電気抵抗が高いので磁性体に生じる渦電流損失が小さい。磁性体３は、これらの磁性材料を予め所望の形状に加工した成形品を用いてもよく、シート状の磁性体（磁性体シート）を用いてもよい。この磁性体シートとしては、例えばFFSW-0.1-5060T（Ni-Zn-Fe₂-O₃)（北川工業株式会社製）などがある。

第２のアンテナシステム２および磁性体３は、第１のアンテナシステム１を挟み込むように車内や室内などに予め設置されているのがよく、例えば第１のアンテナシステム１を備える電子鍵を、上下または左右から挿し込みや設置が可能な筐体などに組み込まれていてもよい。この場合、第１のアンテナシステム１の設置箇所や設置する向きを固定されるので、使用者は第２のアンテナシステム２や磁性体３の配置を行う必要がなく、常時適切な給電を行うことができる。

第１のアンテナシステム１を備える電子鍵は、第２のアンテナシステム２および磁性体３を含む筐体に固定されるまでは、受電コイル４が無指向性アンテナとして車両などの施錠解錠の通信に使用し、固定後は、磁性体３により通信用の無指向性の放射パターンＡを閉じ込め、指向性の放射パターンＢとして、第２のアンテナシステム２の送電コイル５との給電に使用される。このように、受電コイル４は、指向性を磁性体３で調整し、且つ給電用の電波と通信用の電波とは回路の切り替えで変更することができる。そのため、受電コイル４は、給電用のコイルで通信も行うことができる。

（第２の実施形態）
図３は、本開示の第２の実施形態に係る送受電アンテナシステム１０２を示している。なお、上述した部材と同じ部材には同符号を用い、説明は省略する。
図３に示す送受電アンテナシステム１０２は、図１で示した送受電アンテナシステム１０１の第２のアンテナシステム２の外面に、さらに磁性体３１が配置され、第１のアンテナシステム１と第２のアンテナシステム２とが磁性体３、３１で囲われている。この磁性体３１は磁性体３と同じ磁性材料で形成されていてもよい。また、磁性体３１は、予め第２のアンテナシステム２（または基板２０）の外面に貼付けられるか、塗布されていてもよい。磁性体３１を加えることにより、受電コイル４と送電コイル５間に発生する電磁界がより閉じ込められて、指向性が制御されるため、片側のみに磁性体３を配置した場合よりも受電コイル４と送電コイル５とによる送受電の効率が向上する。

（第３の実施形態）
図４は、本開示の第３の実施形態に係る送受電アンテナシステム１０３を示している。なお、上述した部材と同じ部材には同符号を用い、説明は省略する。
図４に示す送受電アンテナシステム１０３は、第１のアンテナシステム１１の２つの受電コイル４と受電コイル４０とにより、第２のアンテナシステム２の送電コイル５を挟み込むように設け、第１のアンテナシステム１１の少なくとも一方の外面に、磁性体３２を配置している。なお、第２のアンテナシステム２は先述した通りであり、磁性体３２は先述した磁性体３，３１と同じ磁性材料で形成されているのがよい。

図６に示すように、第１のアンテナシステム１１は、受電コイル４と受電コイル４０と、この受電コイル４、４０が並列に接続される通信回路７および受電回路８を有する。この第１のアンテナシステム１１は、単体で用いる場合は、受電コイル４、４０が共に通信回路７のみに接続され、通信用アンテナとなる。

受電コイル４および受電コイル４０は、それぞれ別の基板１０，１０´に配置され、且つ２つの基板同士の間には、第２のアンテナシステム２の送電コイル５が挿入可能な間隙が設けられる。受電コイル４０は無指向性アンテナであれば、特に限定されず、受電コイル４と同じものであってもよいし、異なっていてもよい。なお、第１のアンテナシステム１１は、プラスチックなどで形成された１つの筐体として使用され、第１のアンテナシステム１１が有する二次電池は１つあればよい。

第１のアンテナシステム１１は、２つの受電コイル４および受電コイル４０を設けることで、第２のアンテナシステム２と組み合わせて、通信と給電を同時に行うことができる。この場合、２つの受電コイル４と受電コイル４０とでそれぞれ通信と給電を分担する。

通信と給電を同時に行う送受電アンテナシステム１０３は、図４に示すように、第１のアンテナシステム１１が、２つの受電コイル４と受電コイル４０とにより、第２のアンテナシステム２の送電コイル５を挟み込むように設けられる。すなわち、送電コイル５が磁性体３２を外側に配置した受電コイル４との間で給電を行い、かつ受電コイル４０との間で通信を行う。このとき、受電コイル４０は通信回路７と、受電コイル４は受電回路８とそれぞれ接続される。受電コイル４は、送電コイル５との間に発生する電磁界が磁性体３２により周囲に漏れず閉じ込められて指向性が制御され、放射パターンＢを出す指向性アンテナとなり、外側に磁性体が配置されていない受電コイル４０は、放射パターンＡを出す無指向性アンテナのままである。これにより、送受電アンテナシステム１０３は通信と受電を同時に行うことができる。なお、受電コイル４と受電コイル４０の配置は逆であってもよく、すなわち、受電コイル４が通信、受電コイル４０が給電を担ってもよい。このような構成であれば、第１のアンテナシステム１１は上下左右の向きに関係無く配置することができる。

送受電アンテナシステム１０３により通信と給電を同時に行うことで、例えば第１のアンテナシステム１１を車両の施錠開錠で用いる電子鍵として使用する場合、車内にて第２のアンテナシステム２と磁性体３２とを配置しておき、上述したように第１のアンテナシステム１１を、第２のアンテナシステム２と磁性体３２との間に挟み込むように設置すると、第１のアンテナシステム１１の二次電池へ給電（充電）を行いつつ、かつ車両情報との通信も可能になる。この車両情報としては、例えば、車両のセキュリティ情報や、ガソリン残量、バッテリ残量、各輪のタイヤ空気圧などの情報が挙げられ、これらの情報を第１のアンテナシステム１１を備える電子鍵や端末などに記録させることも可能となる。

（第４の実施形態）
第１のアンテナシステム１１が、通信を行わず、給電のみを行う場合、図５に示す送受電アンテナシステム１０４のように、第１のアンテナシステム１１の受電コイル４０の外側にさらに磁性体３３を配置すればよい。これにより、受電コイル４０からの放射パターンの指向性を制御し、受電回路８へ接続するので、受電コイル４のみで給電を行うより、コイルを並列に組み合わせることで電流容量が向上し、効率的に給電を行うことができる。なお、送受電アンテナシステム１０４は、磁性体３３を配置した以外は、図４に示す送受電アンテナシステム１０３と同じである。

送受電アンテナシステム１０４の磁性体３３は、例えば、スイッチなどにより磁性体３３が第１のアンテナシステム１１の外側へ移動することで、適宜に送受電アンテナシステム１０３と１０４とを切り替え可能であってもよい。これにより給電のみ、または給電と通信とを両立させるかの選択を使用者が任意に行うことができる。また、送受電アンテナシステム１０４の磁性体３３は先述した磁性体３２と同じものであってもよい

本開示の送受電アンテナシステムによると、通信および受電コイルを、外側に配置した送電コイルと磁性体とにより挟み込むので、磁性体により近距離での通信および受電コイルの放射パターンの指向性を強くして外部に漏れにくい構造とし、給電の効率を向上させることができる。また、通信時には、通信および受電コイルは、無指向性で放射パターンを広げることができる。
さらに、通信および受電コイルを２つ用いて、送電コイルを挟み込む場合、給電の効率の向上だけでなく、また、通信時には、磁性体を配置しない側からの通信も可能であり、通信と給電を同時に行うことができる。

以上、本開示の送受電アンテナシステムを説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改善や改良が可能である。例えば、本開示の送受電アンテナシステムは、自動車などの車両の施錠開錠と電子鍵の充電に限定されるものではなく、電子鍵を用いた建物（室内）の入出など、入出管理が必要なもの全てに適用可能である。また、複数の送電コイルと受電コイルとを交互に重ねることも可能である。

１、１１ 第１のアンテナシステム
２ 第２のアンテナシステム
３、３１，３２，３３ 磁性体
４，４０ 通信および受電コイル
５ 送電コイル
７ 通信回路
８ 受電回路
１０，１０´，２０ 基板
１０１，１０２，１０３，１０４ 送受電アンテナシステム
Ａ，Ｂ 放射パターン

Claims (3)

1. 通信および受電コイルを設けた第１のアンテナシステムと、
   前記第１のアンテナシステムの通信および受電コイルに、面方向において対向するように送電コイルを設けた第２のアンテナシステムと、を含み、
   前記第１のアンテナシステムの外側に磁性体を配置し、
   前記磁性体と前記第２のアンテナシステムとが、第１のアンテナシステムを挟み込んで、通信および給電のための送受電を行うことを特徴とする送受電アンテナシステム。
2. 前記第２のアンテナシステムの外面に、さらに磁性体を配置した請求項１に記載の送受電アンテナシステム。
3. 前記第１のアンテナシステムが、前記第２のアンテナシステムを挟み込むように、少なくとも２つの通信および受電コイルを設けた請求項１に記載の送受電アンテナシステム。

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