JP5511071B2

JP5511071B2 - アンテナモジュール及び非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP5511071B2
Application number: JP2010154386A
Authority: JP
Inventors: 利昭岡
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: JP2012019302A

Description

本発明は、アンテナモジュール及び非接触電力伝送装置に係り、特に携帯電話、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に好適なアンテナモジュール及び非接触電力伝送装置に関する。

電磁誘導を利用した非接触電力伝送においては、単純な平面コイルをアンテナとして組み合わせて用いることで非接触電力伝送が可能であり、非接触電力充電装置ならびに非接触型ＩＣカード、リーダーライター等が実用化されている。

しかしながら、電磁誘導を利用した場合、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係により、その電力伝送効率が大きく変化してしまうため、高効率での電力伝送を維持するためには、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係が常に一定となるような機構を具備する必要がある。このような課題に対して、例えば、特許文献１のような磁界共鳴を用いた手段が開示されている。

図４は、従来技術によるアンテナモジュールの一例を説明する図である。図４に示すように、従来のアンテナ５０は、２つのコイルからなり、受電回路５４と接続したループコイルからなる第１のコイル５１と、コンデンサ５３と接続した、ある特定の周波数の共振を有する第２のコイル５２から構成される。第２のコイル５２は、第１のコイル５１に、特定の周波数を持った電力が入力されると、第２のコイル５２が励磁され、第２のコイル５２から電力を伝送することができる。この磁界共鳴を用いた方法によれば、電磁誘導を用いた場合に比べ、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係がよりズレていても、高効率で電力を送ることが可能となり、送電側アンテナと受電側アンテナの位置関係が常に一定となるような機構を具備する必要がなくなる。

また、安全に電力伝送を行うためには、充電対象となる携帯機器の認証等の通信を行なう必要があるが、充電用アンテナと通信用アンテナを別々にすると、搭載スペースが増加したり、アンテナ間の干渉などが発生したりしてしまうため、１つのアンテナで電力伝送と通信ができることが望ましい。

特表２００９−５０１５１０号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来技術では、同じ周波数帯域を用いて、電力伝送と通信を行なおうとした場合、磁界共鳴を用いた電力伝送をするためのアンテナでは、高効率での電力伝送は可能であるものの、ＲＦ−ＩＤ通信等の通信を行うことができない。これは、磁界共鳴用アンテナは高いＱ値が必要とされるのに対し、ＲＦ−ＩＤ通信等の通信アンテナとして使用する場合は低いＱ値が必要となるため、磁界共鳴用アンテナでは、通信アンテナに必要な満足なＱ値が得られない。

したがって、磁界共鳴を利用した非接触電力伝送においても、同じアンテナを用いて電力伝送と通信が行なえることが望ましい。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、磁界共鳴を用いても、電力伝送と通信を同じアンテナで行うことができるアンテナモジュール及び非接触電力伝送を提供することにある。

本発明によれば、アンテナは第１のコイルと、第１のコイルの外側もしくは内側に配置され、かつＬＣ共振により任意の共振周波数に調整された第２のコイルを具備し、第１のコイルは受電回路に接続され、第２のコイルは通信回路に接続されており、通信回路内又は通信回路と第２のコイルの間には、第２のコイルの両端のインピーダンスを制御し、Ｑ値を変化させることができる制御回路を具備することを特徴とするアンテナが得られる。

即ち、本発明によれば、ループ状の第１のコイルと、前記第１のコイルの内側又は外側に配置されたループ状の第２のコイルからなるアンテナと、受電回路と、通信回路とを備え、前記第１のコイルは前記受電回路のみに接続され、前記第２のコイルは任意の共振周波数に調整されるとともに、前記通信回路のみに接続され、前記通信回路のインピーダンスを制御し、受電時に前記第１のコイル及び前記第２のコイルを機能させ、通信時に前記第２のコイルのみを機能させることにより、受電と通信を切り替え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、前記通信回路にリアクタンス成分を持たせ、受電と通信とで周波数が異な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、前記アンテナに磁性体を配置した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、前記アンテナにシールド板を配置した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、前記受電回路を送電回路に代えて、送電装置とした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、前記アンテナを複数個配置した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用いたことを特徴とする非接触電力伝送装置が得られる。

以上のように、本発明により、磁界共鳴を用いても、電力伝送と通信を同じアンテナで行うことができるアンテナモジュール及び非接触電力伝送を提供することができる。

本発明によれば、電力伝送時には、第２のコイルからみた通信回路のインピーダンスを十分大きくすることによって、第２のコイルから通信回路へ電流ができるだけ流れないようにすることで、受電回路からみたアンテナのインピーダンスは、アンテナの共振点にて、最小値をとり、Ｑ値が高くなり、高効率で電力伝送を行うための、磁界共鳴用アンテナとして駆動させることができる。また、通信時には、第２のコイルからみた通信回路のインピーダンスを十分小さくすることによって、第２のコイルに通信回路が負荷された分、Ｑ値を下げることで、通信用アンテナとして必要なＱ特性を満足することができるため、アンテナを通信用アンテナとして駆動させることができる。

本発明によるアンテナモジュールの一例を説明する図である。本発明の実施例１におけるアンテナモジュールを説明する図である。図２（ａ）は、平面を示す図。図２（ｂ）は、底面を示す図。本発明の実施例２におけるアンテナモジュールを説明する図である。従来技術によるアンテナモジュールの一例を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明によるアンテナモジュールの構成の一例を説明する図である。図１に示すように、本発明のアンテナモジュールは、アンテナ１０と、受電回路１４と、通信回路１５とから構成される。アンテナ１０は、第１のコイル１１と、第１のコイル１１の外側に配置された第２のコイル１２からなる。第２のコイル１２は、任意の周波数に共振周波数が調整されており、第１のコイル１１は、受電回路１４に接続されている。第２のコイル１２は、通信回路１５に接続され、さらに通信回路１５内又は通信回路と第２のコイルの間に設置された制御回路により、第２のコイル１２の両端のインピーダンスを制御し、通信回路１５へのインピーダンスを制御することにより、電力伝送と通信を切り替えるよう構成される。電力伝送と通信を切り替えは、電力伝送時には、通信回路１５と第２のコイル１２が等価回路的に切り離され、通信時には、通信回路１５と第２のコイル１２が接続されることにより行われる。なお、第２のコイル１２は、第１のコイル１１の内側に配置してもよい。

また、上記通信回路１５と同様に、受電回路１４は、第１のコイル１１の両端のインピーダンスを制御する機能を持たせ、通信時には、第１のコイル１１からみた受電回路１４のインピーダンスを十分大きくすることで、第１のコイル１１から第２のコイル１２への干渉を抑制し、通信特性を向上させることもできる。

アンテナ１０は、ＦＰＣやＦＲ−４基板等の平面基板上に作製される。もしくは、巻き線のみで作製することもできる。

第２のコイル１２のＬＣ共振は、第２のコイル１２とコンデンサ１３を並列に接続することで調整されるほか、第２のコイル１２の自己共振および、基板上の銅箔パターンの重なりによって生じた容量成分を用いることもできる。

受電回路もしくは、通信回路にリアクタンス成分を持たせ、アンテナの共振周波数を変化させることで、電力伝送と通信で、異なる周波数を利用することもできる。

受電回路は、送電回路に置き換え、送電装置として使用することもできる。

アンテナの背面に磁性体を配置しても良い。磁性体は、ＮｉＺｎフェライト等の高周波でも低損失である材料が望ましい。また、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でもよい。

磁性体の背面には、シールド材を配置してもよい。

アンテナは複数個を組み合わせて使用してもよい。

以下、本発明の実施例におけるモジュールの構成の一例について説明する。

図２は、本発明の実施例１におけるアンテナモジュールを説明する図であり、図２（ａ）は、平面を示す図、図２（ｂ）は、底面を示す図である。図２（ａ）では、受信回路、通信回路を省略して示している。図２に示すように、アンテナ３０は、ループ状の第１のコイル３１とループ状の第２のコイル３２から構成される。アンテナ３０の寸法は、４０ｍｍ×２０ｍｍとし、ＦＲ−４基板上に作製した。アンテナ３０の外側から、第２のコイル３２を配置し、第２のコイル３２の内側に第１のコイル３１を配置した。第１のコイル３１は１ターン平面コイルからなり、コイルパターン幅０．５ｍｍで、第２のコイル３２の内側に作製した。第２のコイル３２は、４ターンコイルからなり、コイルパターン幅０．５ｍｍ、コイルパターン間隙０．３ｍｍで作製した。第２のコイル３２は、コンデンサ３３と接続し、ＬＣ共振を持ち、共振周波数が１３．５６ＭＨｚに調整した。平面（表面）の第１のコイル３１の端部３１ａ、３１ｂ、第２のコイル３２の端部３２ａ、３２ｂは、底面（裏面）の端部３１ｃ、３１ｄ、及び端部３２ｃ、３２ｄにそれぞれ、基板の貫通孔を介して接続されている。コンデンサ３３は、共振周波数が調整されればよく、必要に応じて複数個あってもよい。

アンテナ３０において、第１のコイル３１は、図２（ｂ）の端子３８を介して受電回路３４に接続され、受電回路３４は第１の半導体スイッチを備え、第１の半導体スイッチはＩＣ制御によって、第１のコイル３１の端子のオープンとショートを切り替えられる。第２のコイル３２は、端子３９を介して通信回路３５に接続され、通信回路３５は第２の半導体スイッチを備え、第２の半導体スイッチはＩＣ制御によって、第２のコイル３２端子のオープンとショートを切り替えられる。このように、それぞれのインピーダンスの制御回路は、ＩＣと半導体スイッチで構成した。

以上のように構成された、アンテナ３０を有する本発明のアンテナモジュールについて、その動作を説明する。

電力伝送を行う場合、ＩＣ制御によって、第１の半導体スイッチがショート、第２の半導体スイッチがオープンとなるように制御される。このとき、第１のコイル３１と第２のコイル３２は磁場結合によって結合している。アンテナ３０が１３．５６ＭＨｚの磁場中に置かれると、第２のコイル３２は磁場によって励磁され、かつ、ＬＣ共振のために、高効率で電力を受電することができる。この電力は第１のコイル３１によって取り出され、受電回路に伝送されることで、電力伝送が可能となる。上述のように、第２の半導体スイッチをオープンにする理由は、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチがともにショートとなっていた場合、第２のコイル３２が受電した電力の一部が通信回路に流れてしまうため、電力伝送効率が低下し、また、第２のコイル３２の両端に発生した電圧が通信回路に印加されることとなり、大電力を伝送する場合には、通信回路が破壊される可能性もあるためである。

通信を行なう場合、ＩＣ制御によって、第１の半導体スイッチがオープン、第２の半導体スイッチがショートとなるように制御される。このとき、第１のコイル３１はコイルとして機能せず、第１のコイル３１と第２のコイル３２の間に磁場結合は生じない。アンテナ３０が１３．５６ＭＨｚの磁場中に置かれると、第２のコイル３２は磁場によって励磁され、第２のコイル３２の両端に生じた電圧が通信回路に印加され、通信が可能となる。上述のように、第１の半導体スイッチをオープンにする理由は、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチがともにショートとなっていた場合、第２のコイル３２の励磁を阻害するように第１のコイル３１が励磁されてしまうため、通信特性が劣化する。しかし、通信特性の劣化が軽微な場合には、必ずしも第１の半導体スイッチが必要なわけではない。

実施例１で説明したアンテナを１単位として、図３に示したように、複数単位のアンテナを配置することで、送電装置もしくは受電装置を構成することができる。図３は、本発明の実施例２におけるアンテナモジュールを説明する図である。図３に示すように、実施例２のアンテナモジュールは、第１のコイル４１、第２のコイル４２からなるアンテナ単位を３単位備えたアンテナ４０を有する。

アンテナを複数個配置する場合には、隣同士に接するような配置に限定されず、重ねたり、間隔を開けたりして配置してもよい。

送電用のアンテナモジュールは、アンテナ１単位で任意に変更することが可能であり、アンテナ１単位ごとに取り外し可能な構造を持っていても良い。

送電用のアンテナモジュールから電力伝送できる最大送電電力は、送電用のアンテナモジュールを構成しているアンテナの数で調整可能である。例えば、アンテナ１単位あたり１Ｗの電力を送電できるとすれば、アンテナ４単位から構成される送電アンテナ装置は、最大４Ｗまで送電可能となる。

また、送電用のアンテナモジュールのアンテナのうち、励磁させるアンテナを選択できる制御システムを付加することで、送電装置のアンテナの一部分を使用し、電力伝送を行うことも可能となる。

また、送電用のアンテナモジュールは、合計送電電力が最大送電電力以下であれば、複数の受電用のアンテナモジュールへの電力伝送も可能である。

受電用のアンテナモジュールの最大受電電力はアンテナモジュールを構成しているアンテナの数で調整可能である。例えば、アンテナ１単位あたり１Ｗの電力を受電できるとすれば、アンテナ４単位から構成される受電用のアンテナモジュールは、最大４Ｗまで受電可能となる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態及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、アンテナの構成は図１に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、半導体スイッチの代わりに、機械スイッチを用いることもできる。また、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。

１０、３０、４０アンテナ
１１、３１、４１、５１第１のコイル
１２、３２、４２、５２第２のコイル
１３、３３、５３コンデンサ
１４、３４、５４受電回路
１５、３５通信回路
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ端部
３８、３９端子
５０従来のアンテナ

Claims

ループ状の第１のコイルと、前記第１のコイルの内側又は外側に配置されたループ状の第２のコイルからなるアンテナと、受電回路と、通信回路とを備え、前記第１のコイルは前記受電回路のみに接続され、前記第２のコイルは任意の共振周波数に調整されるとともに、前記通信回路のみに接続され、前記通信回路のインピーダンスを制御し、受電時に前記第１のコイル及び前記第２のコイルを機能させ、通信時に前記第２のコイルのみを機能させることにより、受電と通信を切り替えることを特徴とするアンテナモジュール。
前記通信回路にリアクタンス成分を持たせ、受電と通信とで周波数が異な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。
前記アンテナに磁性体を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナモジュール。
前記アンテナにシールド板を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナモジュール。
前記受電回路を送電回路に代えて、送電装置としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナモジュール。
前記アンテナを複数個配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナモジュール。
請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナモジュールを用いたことを特徴とする非接触電力伝送装置。