JP5985366B2 - 複合コイルモジュール及び電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、複数のコイルモジュールを有する複合コイルモジュールに関し、特に一のループコイルと他のループコイルとの少なくとも一部が重畳された複合コイルモジュール及び電子機器に関する。
近年の無線通信機器においては、電話通信用アンテナ、ＧＰＳ用アンテナ、無線ＬＡＮ／ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）用アンテナ、さらにはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）といった複数のＲＦアンテナが搭載されている。これらに加えて、非接触充電の導入に伴って、電力伝送用のループコイルも搭載されるようになってきた。非接触充電方式で用いられる電力伝送方式には、電磁誘導方式、電波受信方式、磁気共鳴方式等が挙げられる。これらは、いずれも一次側コイルと二次側コイル間の電磁誘導や磁気共鳴を利用したものであり、例えば非接触充電のＱｉ規格やＲＦＩＤのＮＦＣ（Near Field Communication）規格では、電磁誘導を利用している。
電磁誘導を利用した近距離無線通信システムにおいては、リーダライタ側のアンテナモジュールと、リーダライタから発信された磁界を受けて発生した電流によって駆動されるトランスポンダ側のアンテナモジュールとの間で、アンテナコイルの大きさが大きく異なる場合、通信できないおそれがある。
例えば、ＩＣタグが貼られたポスターなどにリーダライタとなる携帯電話をかざすことにより、そのポスターの情報（クーポン・地図・キャンペーン案内など）を取得するような場合、ＩＣタグに内蔵されたアンテナコイルは一辺が２ｃｍ角程度の大きさであるのに対して、携帯電話に内蔵されたアンテナコイルは一辺が４ｃｍ角程度と大きい。具体的に、ＮＦＣ用のアンテナモジュールにおいて、携帯電話やスマートフォンに搭載されるアンテナコイルの外径は６０ｍｍ×５０ｍｍであるのに対して、ＩＣタグ等に内蔵される小型のアンテナコイルの外径は２０ｍｍ×２５ｍｍ程度である。
ここで、携帯電話側のアンテナモジュールから発信される磁界はアンテナコイルの近くで密となり、アンテナコイルから遠くなるほど磁束密度が疎となる。ＩＣタグ側のアンテナモジュールから発信される磁界も、同様である。そして、近距離無線通信では、通信を行うアンテナモジュールをほぼ密着させて行う。そのため、図１６（ａ）に示すように、通信を行う相互のアンテナコイルの内外径差が小さい場合は問題ないが、図１６（ｂ）に示すように、通信を行う相互のアンテナコイルの内外径差が大きくなると、一方が発信した磁束Ｆが他方に届かず、誘導結合ができないおそれがある。
そのため、携帯電話側のアンテナモジュールのアンテナパターンがＩＣタグ側のアンテナモジュールのアンテナパターンに近接するように、携帯電話側のアンテナモジュールのアンテナパターンのピッチや線幅を大きくしてアンテナコイルの内径を小さくする方法も提案されている。
一方、電子機器の小型化、高機能化に伴い、携帯端末機器等の電子機器に上述のような複数のアンテナを搭載するのに割り当てられるスペースは極めて小さくなってきている。そこで、ＲＦＩＤ用のアンテナコイルと非接触充電用の充電コイルとを同一スペースに搭載するために、アンテナモジュールの小型化、薄型化、さらには、複数のコイルモジュールの複合化、集積化の要求が強まっている。
例えば図１７に示す複合コイルモジュール１００は、ＲＦＩＤ用のアンテナモジュール１０１と、非接触充電用の充電モジュール１０２とが積層一体化されている。ＲＦＩＤ用のアンテナモジュール１０１は、それぞれ、磁束集束用の磁性シート１０３と、導線を渦巻状に巻回して形成されたスパイラルコイル状のアンテナコイル１０４とを有する。磁性シート１０３は、一面に、スパイラルコイル状に形成されたアンテナコイル１０４が貼り付けられている。
また、充電モジュール１０２も、同様に、磁束収束用の磁性シート１０５と、導線を渦巻状に巻回して形成されたスパイラルコイル状の充電コイル１０６とを有する。また、磁性シート１０５は、一面に、スパイラルコイル状に形成された充電コイル１０６が貼り付けられている。そして、複合コイルモジュール１００は、アンテナモジュール１０１のアンテナコイル１０４の内周側に、充電モジュール１０２が重畳されることにより一体化されている。
ここで、このような複合コイルモジュール１００において、ＲＦＩＤ用のアンテナコイル１０４のピッチや線幅を大きく取ることにより内径を小さくした場合、図１８に示すように、ＲＦＩＤ用のアンテナコイル１０４と、非接触充電用の充電コイル１０６同士が重畳する。そのため、例えば非接触充電用の充電コイル１０６によって磁束を受けようとした場合、ＲＦＩＤ用のアンテナコイル１０４も磁界を受けることによって、渦電流が発生することによるロスが生じ、また渦電流によって磁束を跳ね返してしまう。したがって、充電コイル１０６に届く磁束が少なくなってしまい、そのために磁性シートの大型化などの対策が必要となってしまう。また、アンテナコイル１０４も、渦電流の発生に伴い、発熱し、複合コイルモジュール１００やその周囲の構造物に熱衝撃が及ぶおそれもある。
そこで、本発明は、複合コイルモジュールにおいて、ループコイル同士が重畳した場合にも良好に誘導結合される複合コイルモジュール及び電子機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る複合コイルモジュールは、第１の磁性シートと、上記第１の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第１のループコイルとを備えた第１のコイルモジュールと、第２の磁性シートと、上記第２の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第２のループコイルとを備えた第２のコイルモジュールとを有し、上記第１のコイルモジュールと上記第２のコイルモジュールとが積層されるとともに、上記第１のループコイルの少なくとも最内周のコイルパターンと上記第２のループコイルとが重畳され、上記第１のループコイルの上記第２のループコイルと重畳する上記最内周のコイルパターンの線幅は１ｍｍ以下である。
また、本発明に係る電子機器は、機器筐体内に複合コイルモジュールが搭載された電子機器であって、上記複合コイルモジュールは、第１の磁性シートと、上記第１の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第１のループコイルとを備えた第１のコイルモジュールと、第２の磁性シートと、上記第２の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第２のループコイルとを備えた第２のコイルモジュールとを有し、上記第１のコイルモジュールと上記第２のコイルモジュールとが積層されるとともに、上記第１のループコイルの少なくとも最内周のコイルパターンと上記第２のループコイルとが重畳され、上記第１のループコイルの上記第２のループコイルと重畳する上記最内周のコイルパターンの線幅は１ｍｍ以下である。
本発明によれば、第１のループコイルの第２のループコイルと重畳する最内周のアンテナパターンの線幅を１ｍｍ以下としているため、第２のループコイルによって磁束を受けようとした場合に、第２のループコイルと重畳する最内周のコイルパターンにおいて渦電流の発生を抑制することができる。したがって、渦電流の発生による損失を減らし、また、最内周のコイルパターンの渦電流によって磁束を跳ね返して効率的に充電できない事態や、渦電流の発生による最内周のコイルパターンの発熱で周囲に熱衝撃が及ぶことを防止することができる。
以下、本発明が適用された複合コイルモジュール、及び電子機器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみ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内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
本発明が適用された複合コイルモジュール１は、携帯型の電子機器に組み込まれるものであって、近距離無線通信機能と非接触充電機能との両方を実現するものである。具体的に、本発明が適用された複合コイルモジュール１は、図１に示すように、第１のコイルモジュールとなるアンテナモジュール２と、アンテナモジュール２の内側に設けられ第２のコイルモジュールとなる非接触充電モジュール３とを有する。アンテナモジュール２は、ＮＦＣ等のＲＦＩＤ用のモジュールであり、磁性材料により形成されたシート状の第１の磁性シート４と、第１の磁性シート４上に設けられ、面状に巻回されたスパイラルコイル状のアンテナコイル５とを備える。また、非接触充電モジュール３は、Ｑｉ等の非接触充電用のモジュールであり、磁性材料により形成されたシート状の第２の磁性シート６と、第２の磁性シート６上に設けられ、面状に巻回されたスパイラルコイル状の非接触充電コイル７とを備える。
［アンテナモジュール]
第１の磁性シート４は、例えば、ＮｉＺｎ系フェライトの焼結体からなる。第１の磁性シート４は、予め薄くシート状に塗布したフェライト粒子を高温環境下で焼結させることによりシート化し、その後、所定の形状に型抜きすることにより形成される。あるいは、第１の磁性シート４は、予め最終形状と同形状にフェライト粒子をシート状に塗布し、焼結することにより形成することもできる。その他、第１の磁性シート４は、長方形断面を持った型に、フェライト粒子を詰め込み、平面視矩形状の直方体にフェライト粒子を焼結し、この焼結体を薄くスライスすることにより、所定の形状を得ることもできる。
第１の磁性シート４は、例えば、ＮｉＺｎ系フェライトの焼結体からなる。第１の磁性シート４は、予め薄くシート状に塗布したフェライト粒子を高温環境下で焼結させることによりシート化し、その後、所定の形状に型抜きすることにより形成される。あるいは、第１の磁性シート４は、予め最終形状と同形状にフェライト粒子をシート状に塗布し、焼結することにより形成することもできる。その他、第１の磁性シート４は、長方形断面を持った型に、フェライト粒子を詰め込み、平面視矩形状の直方体にフェライト粒子を焼結し、この焼結体を薄くスライスすることにより、所定の形状を得ることもできる。
なお、第１の磁性シート４は、軟磁性粉末からなる磁性粒子と結合材としての樹脂とを含んでいてもよい。
また、磁性粒子は、フェライト等の酸化物磁性体、センダスト、パーマロイ等のＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｃｏ系、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ａｌ系等の結晶系、微結晶系磁性体、あるいはＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｃｏ−Ｚｒ系、Ｃｏ−Ｎｂ系、Ｃｏ−Ｔａ系等のアモルファス金属磁性体の粒子を用いることができる。
なかでも、ＮＦＣ等のＲＦＩＤ用アンテナモジュール２に用いられる第１の磁性シート４は、磁性材料として上述したＮｉＺｎ系フェライトが好適に用いられる。
結合材は、熱、紫外線照射等により硬化する樹脂等を用いることができる。結合材としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル等の樹脂、あるいはシリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム等の周知の材料を用いることができる。なお、結合材は、上述の樹脂又はゴムに、難燃剤、反応調整剤、架橋剤又はシランカップリング剤等の表面処理剤を適量加えてもよい。
なお、第１の磁性シート４は、単一の磁性材料で構成する場合のみに限らず、２種類以上の磁性材料を、混合して用いてもよく、あるいは多層に積層して形成してもよい。また、第１の磁性シート４は、同一の磁性材料であっても、磁性粒子の粒径及び／又は形状を複数選択して混合してもよく、あるいは多層に積層して形成してもよい。
アンテナコイル５は、ポリイミド等によるフレキシブル基板にＣｕ箔等からなる導電パターンがスパイラルコイル状に形成されてなる。また、アンテナコイル５は、略矩形状の外径を有し、相対向する一方の２辺５ａ，５ｂにおけるパターン間のピッチは狭く、一方の２辺と直交する他方の２辺５ｃ、５ｄにおけるパターン間のピッチが広く形成されている。なお、以下の説明では、相対向する一方の２辺５ａ，５ｂを左辺５ａ、右辺５ｂといい、相対向する他方の２辺５ｃ、５ｄを上辺５ｃ、下辺５ｄという。
これにより、アンテナコイル５は、上辺５ｃ、下辺５ｄに沿って形成されたアンテナパターンのうち、少なくとも最内周のアンテナパターンが、後述する非接触充電モジュール３の非接触充電コイル７と重畳されている。なお、左辺５ａ、右辺５ｂに沿って形成されたアンテナパターンも、同様に最内周のアンテナパターンが非接触充電コイル７と重畳されているが、必ずしも重畳されている必要はない。
磁性シート４は、アンテナコイル５の外径以上の外径を有し、さらに開口部２ａを有している。この開口部２ａには後述する非接触充電モジュール３を配置することができる。開口部２ａに非接触充電モジュール３が配置されることにより、複合コイルモジュール１は、第１の磁性シート４の厚さに相当する厚さだけ薄型化を図ることができる。なお、アンテナモジュール２は、磁性シート４を、左辺５ａ、右辺５ｂに沿って形成されたアンテナパターンとのみ重畳させてもよい。これにより、アンテナモジュール２は、一対の磁性シート４の間に、磁性シート４が設けられていない空隙部が形成され、この空隙部に非接触充電モジュール３を配置することができる。
［近距離無線通信システム］
次に、アンテナモジュール２による近距離無線通信機能について説明する。例えば図２に示すように、複合コイルモジュール１は、例えば携帯電話６０の筐体６１内部に組み込まれ、アンテナモジュール２は、ＲＦＩＤ用の無線通信システム７０として使用される。
次に、アンテナモジュール２による近距離無線通信機能について説明する。例えば図２に示すように、複合コイルモジュール１は、例えば携帯電話６０の筐体６１内部に組み込まれ、アンテナモジュール２は、ＲＦＩＤ用の無線通信システム７０として使用される。
無線通信システム７０は、リーダライタ７１が、アンテナモジュール２とともに携帯電話６０に組み込まれたメモリモジュール７３に対してアクセスするものである。ここで、アンテナモジュール２とリーダライタ７１とは、三次元直交座標系ｘｙｚのｘｙ平面において互いに対向するように配置されているものとする。
リーダライタ７１は、ｘｙ平面において互いに対向するアンテナモジュール２のアンテナコイル５に対して、ｚ軸方向に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、アンテナコイル５に向けて磁界を発信するアンテナ７２と、メモリモジュール７３と通信を行う制御基板７４とを備える。
すなわち、リーダライタ７１は、アンテナ７２と電気的に接続された制御基板７４が配設されている。この制御基板７４には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、アンテナコイル５を介してメモリモジュール７３から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、メモリモジュール７３に対してデータを送信する場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ７２を駆動する。また、制御回路は、メモリモジュール７３からデータを読み出す場合、アンテナ７２で受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。
アンテナモジュール２は、アンテナコイル５が、リーダライタ７１から発信される磁界を受けリーダライタ７１と誘導結合して、携帯電話６０に組み込まれた記憶媒体であるメモリモジュール７３に信号を供給する。
アンテナコイル５は、リーダライタ７１から発信される磁界を受けると、リーダライタ７１と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、端子部８ａ、８ｂを介して受信信号をメモリモジュール７３に供給する。
メモリモジュール７３は、アンテナコイル５に流れる電流により駆動し、リーダライタ７１との間で通信を行う。具体的に、メモリモジュール７３は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該メモリモジュール７３が有する内部メモリに書き込む。また、メモリモジュール７３は、リーダライタ７１に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル５を介して変調された電波をリーダライタ７１に送信する。
［リーダライタ機能］
また、アンテナモジュール２は、リーダライタとしても機能し、例えば、ＩＣタグを備えたポスターや電化製品に携帯電話６０をかざすことにより、そのポスターの情報（クーポン・地図・キャンペーン案内など）を取得したり、電化製品の情報（消費電力や各種設定状態など）を取得し、あるいは設定の変更等を行う。この場合、アンテナモジュール２は、携帯電話６０に内蔵されたバッテリパック８１より電力が供給されることによりリーダライタとして機能する。リーダライタであるアンテナモジュール２とＩＣタグとの近距離無線通信は、上述したリーダライタ７１とアンテナモジュール２との通信と同様である。
また、アンテナモジュール２は、リーダライタとしても機能し、例えば、ＩＣタグを備えたポスターや電化製品に携帯電話６０をかざすことにより、そのポスターの情報（クーポン・地図・キャンペーン案内など）を取得したり、電化製品の情報（消費電力や各種設定状態など）を取得し、あるいは設定の変更等を行う。この場合、アンテナモジュール２は、携帯電話６０に内蔵されたバッテリパック８１より電力が供給されることによりリーダライタとして機能する。リーダライタであるアンテナモジュール２とＩＣタグとの近距離無線通信は、上述したリーダライタ７１とアンテナモジュール２との通信と同様である。
ここで、ＩＣタグに設けられたアンテナコイルは、携帯電話６０に内蔵されたアンテナモジュール２のアンテナコイル５よりも小さい。例えば、アンテナコイル２の外径が６０ｍｍ×５０ｍｍであるのに対して、ＮＦＣ規格におけるＩＣタグ等に内蔵される小型のアンテナコイルの外径は２０ｍｍ×２５ｍｍである。
上述したように、携帯電話側のアンテナモジュールから発信される磁界はアンテナコイルの近くで密となり、アンテナコイルから遠くなるほど磁束密度が疎となる。ＩＣタグ側のアンテナモジュールから発信される磁界も、同様である。そして、近距離無線通信では、携帯電話６０をＩＣタグにかざすことにより、アンテナモジュール２とＩＣタグ側のアンテナコイルとの距離が数ｍｍまで密着させて行う。そのため、通信を行うアンテナコイル５の内径と、ＩＣタグ側の小型アンテナコイルの外径との内外径差が大きくなると、一方が発信した磁束が他方に届かず、誘導結合ができないおそれがある（図１６参照）。
そのため、携帯電話６０側のアンテナモジュール２は、図３に示すように、アンテナコイル５の内径がＩＣタグ側のアンテナモジュールの小型アンテナコイル２０の外径に近接するように、上辺５ｃ、下辺５ｄに形成されたアンテナパターンのうち、少なくとも最内周のアンテナパターンが、左辺５ａ、右辺５ｂに形成されたアンテナパターンよりもアンテナコイル５の中心側に形成されている。これにより、アンテナコイル５がＩＣタグ側のアンテナコイルのパターンに近接させることができ、小型のアンテナコイル２０とも通信を行うことができる。
［アンテナコイルの幅］
また、これによりアンテナコイル５は、上辺５ｃ、下辺５ｄに形成されたアンテナパターンのうち、少なくとも最内周のアンテナパターンが非接触充電モジュール３の非接触充電コイル７と重畳される。このとき、図１に示すように、アンテナコイル５は、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを、最内周よりも外側のアンテナパターンの線幅以下とする。具体的に、アンテナコイル５は、最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを、１ｍｍ以下とする。
また、これによりアンテナコイル５は、上辺５ｃ、下辺５ｄに形成されたアンテナパターンのうち、少なくとも最内周のアンテナパターンが非接触充電モジュール３の非接触充電コイル７と重畳される。このとき、図１に示すように、アンテナコイル５は、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを、最内周よりも外側のアンテナパターンの線幅以下とする。具体的に、アンテナコイル５は、最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを、１ｍｍ以下とする。
これにより、非接触充電コイル７によって磁束を受けようとした場合に、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンにおいて渦電流の発生を抑制することができる。したがって、渦電流の発生による損失を減らし、また、最内周のアンテナパターンの渦電流によって磁束を跳ね返して効率的に充電できない事態や、渦電流の発生による最内周のアンテナパターンの発熱で周囲に熱衝撃が及ぶことを防止することができる。
渦電流を小さくするには、表皮厚みと同程度までコイルの線幅を狭めることが有効となる。この幅になると、電流が銅の中を回って流れる時に抵抗が大きくなり渦電流が流れにくくなるためである。
図４は、アンテナコイル５の上辺５ｃ、下辺５ｄにおけるアンテナパターンの線幅と、当該上下辺５ｃ、５ｄにおけるアンテナパターンに流れる渦電流の値との関係を示すグラフである。具体的な条件は、１２０ｋＨｚで送電側のコイルから磁界を発生させ、そのときのアンテナコイル５に発生する渦電流を求めた。
アンテナコイル５として、図５に示すように、左辺５ａ、右辺５ｂのアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定し、非接触充電コイル７と重畳する上辺５ｃ、下辺５ｄのアンテナパターンの線幅及びピッチを変更するタイプ１と、図６に示すように、アンテナパターンが全周に亘って同一の線幅で形成され、全辺５ａ〜５ｄのアンテナパターンの線幅及びピッチを等しく変更するタイプ２とを用意した。図４に示すように、アンテナパターンの線幅を狭めるにつれて渦電流の発生が抑制されていき、線幅が１ｍｍ以下の場合、その効果が顕著に表れることが分かる。
また、アンテナコイル５は、最内周のアンテナパターンの線幅のみを幅狭（１ｍｍ以下）としてもよい。最内周のアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定したときの、その外側におけるアンテナパターンの線幅と渦電流との関係を調べた。具体的な測定条件は、１２０ｋＨｚで送電側のコイルから磁界を発生させ、そのときのアンテナコイル５に発生する渦電流を求めた。
アンテナコイルとして、図７に示すように、左辺５ａ、右辺５ｂのアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定し、非接触充電コイル７と重畳する上辺５ｃ、下辺５ｄのアンテナパターンのうち、最内周のアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定し、その外側のアンテナパターンの線幅を変更するタイプ３を用意した。そして、このタイプ３と、同様に左辺５ａ、右辺５ｂのアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定し、非接触充電コイル７と重畳する上辺５ｃ、下辺５ｄのアンテナパターンの線幅及びピッチを等しく変更するタイプ１とを対比した。
図８に示すように、最内周のアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定し外側のアンテナパターンの線幅を変えたタイプ３は、上辺５ｃ、下辺５ｄにおけるアンテナパターンの線幅を等しく変えたタイプ１に比して、渦電流の抑制において同等の効果を奏する。これは、アンテナコイル５の外周側を通る磁束密度は小さいために、渦電流の発生も僅かとなることによる。すなわち、最内周のアンテナパターンの線幅のみを幅狭（１ｍｍ以下）とすることでも効果を奏することが分かる。
また、図９に示すように、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンの線幅を１ｍｍに固定し、その外側のアンテナパターンが全周に亘って同一の線幅で形成されているタイプ４を用意し、このタイプ４と、アンテナパターンが全周に亘って同一の線幅で形成されているタイプ２とについて、外側のアンテナパターンの線幅を変えたときの渦電流を調べた。図１０に示すように、タイプ４は、アンテナパターンが全周に亘って同一の線幅で形成されているタイプ２に比して、渦電流の抑制において同等の効果を奏する。これは、アンテナコイル５の外周側を通る磁束密度は小さいために、渦電流の発生も僅かとなることによる。これによっても、最内周のアンテナパターンの線幅のみを幅狭（１ｍｍ以下）とすることでも効果を奏することが分かる。
［スリット］
また、アンテナコイル５は、図１１に示すように、上辺５ｃ、下辺５ｄにおけるアンテナパターンの長手方向に沿ってスリット１０を形成してもよい。スリット１０を形成することによっても、幅を狭めたときと同様に、スリット１０の形成領域において実質的にアンテナパターンの線幅を狭め、渦電流の発生を抑制することができる。このため、アンテナパターンとしては、スリット１０によって分割されたパターン幅が１ｍｍ以下となることが好ましい。
また、アンテナコイル５は、図１１に示すように、上辺５ｃ、下辺５ｄにおけるアンテナパターンの長手方向に沿ってスリット１０を形成してもよい。スリット１０を形成することによっても、幅を狭めたときと同様に、スリット１０の形成領域において実質的にアンテナパターンの線幅を狭め、渦電流の発生を抑制することができる。このため、アンテナパターンとしては、スリット１０によって分割されたパターン幅が１ｍｍ以下となることが好ましい。
スリット１０は、図１１に示すように、１本のアンテナパターンに一つ形成してもよく、また、図１２に示すように、１本のアンテナパターンに複数形成してもよい。また、スリット１０は、上辺５ｃ、下辺５ｄにおけるアンテナパターンのすべてに形成してもよいが、最内周のアンテナパターンにのみ形成しても同等の効果を奏する。
また、スリット１０は、アンテナコイル５の他方の２辺５ｃ、５ｄにおけるアンテナパターンのすべてにおいて同幅で形成してもよく、あるいは内周側から外周側にかけて漸次拡幅させてもよい。
図１３は、アンテナコイル５の上辺５ｃ、下辺５ｄにおけるアンテナパターンの線幅を、左辺５ａ、右辺５ｂにおけるアンテナパターンの線幅よりも太くするとともに、パターン間のピッチも大きくした複合コイルモジュール１において、上辺５ｃ、下辺５ｄのアンテナパターンに形成するスリット１０の本数を変えたときの、渦電流の発生状態を示すグラフである。
具体的な条件は、１２０ｋＨｚで送電側のコイルから磁界を発生させ、そのときのアンテナコイル５に発生する渦電流密度を計算し、その値の絶対値をコイル体積で積分した。この値をＩeddyとする。この値が大きければコイル内の熱が大きくなることになる。図１３に示すように、スリット１０を形成することで渦電流の発生が抑制され、スリット１０の本数が増えると、渦電流の抑制効果が高まることが分かる。
また、複合コイルモジュール１は、図１４に示すように、一枚の磁性シート１１と、この磁性シート１１と重畳されるアンテナコイル５、及び非接触充電コイル７とにより形成してもよい。磁性シート１１とアンテナコイル５とはほぼ同じ形状で形成され、また非接触充電コイル７は、アンテナコイル５及び磁性シート１１の外側縁に内接するように、ほぼ同じ径で形成されている。
磁性シート１１は、アンテナコイル５と非接触充電コイル７のそれぞれに磁界を引き込む。磁性シート１１の構成は上述した第１の磁性シート４や第２の磁性シート６と同様である。また、図１４に示す構成においても、アンテナコイル５は、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを、最内周よりも外側のアンテナパターンの線幅以下とする。具体的に、アンテナコイル５は、最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを、１ｍｍ以下とする。
図１４に示す構成においては、アンテナコイル５と非接触充電コイル７とを同じ径で形成すると共に磁性シート１１を共用させることで、複合コイルモジュール１の専有面積を小さくすることができる。また、図１４に示す構成においても、非接触充電コイル７によって磁束を受けようとした場合に、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンにおいて渦電流の発生を抑制することができる。
［非接触充電モジュール］
非接触充電モジュール３は、第１の磁性シート４と異なる磁性材料により形成されたシート状の第２の磁性シート６と、第２の磁性シート６上に設けられ、面状に巻回されたスパイラルコイル状の非接触充電コイル７とを備える。
非接触充電モジュール３は、第１の磁性シート４と異なる磁性材料により形成されたシート状の第２の磁性シート６と、第２の磁性シート６上に設けられ、面状に巻回されたスパイラルコイル状の非接触充電コイル７とを備える。
第２の磁性シート６は、アンテナコイルモジュール２の開口部２ａの内側に収まる大きさで形成されている。また、第２の磁性シート６は、上述した第１の磁性シート４と同様に、シート状に形成された磁性粒子の焼結体からなり、例えばＭｎＺｎ系フェライトを好適に用いることができる。また、第２の磁性シート６は、ＮｉＺｎ系フェライトで形成してもよい。この第２の磁性シート６は、第１の磁性シート４と同様に製造することができる。
また、第２の磁性シート６も、第１の磁性シート４と同様に、軟磁性粉末からなる磁性粒子と結合材としての樹脂とを含んでシート状に形成されてもよい。また第２の磁性シート６は、磁性粒子や結合材も第１の磁性シート４に用いることができる上述した材料を用いることができる。
また、第２の磁性シート６は、第１の磁性シート４と同様に、単一の磁性材料で構成する場合のみに限らず、２種類以上の磁性材料を、混合して用いてもよく、あるいは多層に積層して形成してもよい。また、第２の磁性シート６は、同一の磁性材料であっても、磁性粒子の粒径及び／又は形状を複数選択して混合してもよく、あるいは多層に積層して形成してもよい。
非接触充電コイル７は、送電コイルから発信される磁界を受けて送電コイルと誘導結合することにより、複合コイルモジュール１が組み込まれた携帯機器のバッテリに充電電流を供給する。非接触充電コイル７は、例えばスパイラルコイル状に巻回された導線からなる。
非接触充電コイル７を構成する導線は、非接触充電モジュール３を、例えば５Ｗ程度の充電出力容量を有する非接触充電用の二次側充電コイルとして用いる場合であって、１２０ｋＨｚ程度の周波数で用いられるときには、０．２０〜０．４５ｍｍの径のＣｕ又はＣｕを主成分とする合金からなる単線を用いることが好ましい。あるいは、導線は、表皮効果を低減させるために、上述の単線よりも細い細線を複数本束ねた平行線、編線を用いてもよく、厚みの薄い平角線又は扁平線を用いて１層又は２層のα巻としてもよい。また、非接触充電コイル７は、電流容量に応じて、フレキシブル基板等の基板上にパターン形成されたＣｕ箔等を用いてもよい。
［非接触充電システム］
次に、非接触充電コイル７による非接触充電機能について説明する。例えば図１５に示すように、非接触充電コイル７は、例えばＱｉ規格の非接触充電システム８０として使用される。
次に、非接触充電コイル７による非接触充電機能について説明する。例えば図１５に示すように、非接触充電コイル７は、例えばＱｉ規格の非接触充電システム８０として使用される。
非接触充電システム８０は、非接触充電モジュール３の非接触充電コイル７と接続されたバッテリパック８１に対して、充電装置８２により充電を行うものである。ここで、非接触充電モジュール３の非接触充電コイル７と充電装置８２の送電コイル８３とは、上述したアンテナコイル５とリーダライタ７１との位置関係と同様に、三次元直交座標系ｘｙｚのｘｙ平面において互いに対向するように配置されているものとする。
充電装置８２は、ｘｙ平面において互いに対向する非接触充電モジュール３の非接触充電コイル７に対して、ｚ軸方向に磁界を発信する送電手段として機能し、具体的には、非接触充電コイル７に向けて磁界を発信する送電コイル８３と、送電コイル８３を介して誘導結合された非接触充電コイル７への電力の供給を制御する送電制御基板８４とを備える。
すなわち、充電装置８２は、送電コイル８３と電気的に接続された送電制御基板８４が配設されている。この送電制御基板８４には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、送電コイル８３と誘導結合された非接触充電コイル７に充電電流を供給する。具体的に、送電制御基板８４は、所定の周波数例えば、１１０ｋＨｚの比較的低周波数の送電電流により送電コイル８３を駆動する。
非接触充電モジュール３は、上述したように、携帯電話６０の筐体６１内部に組み込まれ、非接触充電コイル７が、送電コイル８３から発信される磁界を受け送電コイル８３と誘導結合して、携帯電話６０に組み込まれたバッテリパック８１に受電した電流を供給する。
非接触充電コイル７は、充電装置８２から発信される磁界を受けると、充電装置８２と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受電して、端子部９ａ、９ｂを介して充電電流をバッテリパック８１に供給する。
バッテリパック８１は、非接触充電コイル７に流れる充電電流に応じた充電電圧を、当該バッテリパック８１内部のバッテリセルに印加する。
以上のような複合コイルモジュール１によれば、近距離無線通信機能を実現するアンテナコイル５と、非接触充電機能を実現する非接触充電コイル７とが形成されているので、電子機器である携帯電話６０に組み込んだ際に筐体６１の小型化を図りつつ、近距離無線通信機能と非接触充電機能との両立を実現することができる。
このとき、複合コイルモジュール１によれば、アンテナコイル５の非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンの線幅Ｗを１ｍｍ以下としているため、非接触充電コイル７によって磁束を受けようとした場合に、非接触充電コイル７と重畳する最内周のアンテナパターンにおいて渦電流の発生を抑制することができる。したがって、渦電流の発生による損失を減らし、また、最内周のアンテナパターンの渦電流によって磁束を跳ね返して効率的に充電できない事態や、渦電流の発生による最内周のアンテナパターンの発熱で周囲に熱衝撃が及ぶことを防止することができる。
１ 複合コイルモジュール、２ アンテナモジュール、２ａ 開口部、３ 非接触充電モジュール、４ 第１の磁性シート、５ アンテナコイル、６ 第２の磁性シート、７ 非接触充電コイル、８ 端子部、９ 端子部、１０ スリット、２０ 小型アンテナコイル、６０ 携帯電話、６１ 筐体、７０ 無線通信システム、７１ リーダライタ、７２ アンテナ、７３ メモリモジュール、７４ 制御板、８０ 非接触充電システム、８１ バッテリパック、充電装置、８３ 送電コイル、８４ 送電制御板
Claims (10)
- 第１の磁性シートと、上記第１の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第１のループコイルとを備えた第１のコイルモジュールと、
第２の磁性シートと、上記第２の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第２のループコイルとを備えた第２のコイルモジュールとを有し、
上記第１のコイルモジュールと上記第２のコイルモジュールとが積層されるとともに、上記第１のループコイルの少なくとも最内周のコイルパターンと上記第２のループコイルとが重畳され、
上記第１のループコイルの上記第２のループコイルと重畳する上記最内周のコイルパターンの線幅は１ｍｍ以下である複合コイルモジュール。 - 第１の磁性シートと、上記第１の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第１のループコイルとを備えた第１のコイルモジュールと、
第２の磁性シートと、上記第２の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第２のループコイルとを備えた第２のコイルモジュールとを有し、
上記第１のコイルモジュールと上記第２のコイルモジュールとが積層されるとともに、上記第１のループコイルの少なくとも最内周のコイルパターンと上記第２のループコイルとが重畳され、
上記第１のループコイルの上記第２のループコイルと重畳する上記最内周のコイルパターンの線幅は、該最内周よりも外側のコイルパターンの線幅よりも狭い複合コイルモジュール。 - 上記第１のループコイルは、上記最内周のコイルパターン以外の、外周側のコイルパターンの線幅が、上記最内周のコイルパターンの線幅よりも広い請求項１又は請求項２記載の複合コイルモジュール。
- 上記第１のループコイルは、全周に亘って同一幅で形成されている請求項１記載の複合コイルモジュール。
- 上記第１のループコイルは、上記第２のループコイルと重畳する上記コイルパターンに、該コイルパターンに沿ってスリットが形成されている請求項１又は請求項２記載の複合コイルモジュール。
- 上記第１のループコイルは、外周側のコイルパターン間のピッチが、内周側のコイルパターン間のピッチよりも小さい請求項１又は請求項２記載の複合コイルモジュール。
- 上記第１のループコイルは、上記第２のループコイルと重畳しないコイルパターンと、上記第２のループコイルと重畳するコイルパターンの線幅及び／又はコイルパターン間のピッチが異なる請求項１、２、３、５、６のいずれか１項に記載の複合コイルモジュール。
- 上記第２のコイルモジュールは、上記第１の磁性シートに形成された開口部に配設されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合コイルモジュール。
- 機器筐体内に複合コイルモジュールが搭載された電子機器であって、
上記複合コイルモジュールは、
第１の磁性シートと、上記第１の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第１のループコイルとを備えた第１のコイルモジュールと、
第２の磁性シートと、上記第２の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第２のループコイルとを備えた第２のコイルモジュールとを有し、
上記第１のコイルモジュールと上記第２のコイルモジュールとが積層されるとともに、上記第１のループコイルの少なくとも最内周のコイルパターンと上記第２のループコイルとが重畳され、
上記第１のループコイルの上記第２のループコイルと重畳する上記最内周のコイルパターンの線幅は１ｍｍ以下である電子機器。 - 機器筐体内に複合コイルモジュールが搭載された電子機器であって、
上記複合コイルモジュールは、
第１の磁性シートと、上記第１の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第１のループコイルとを備えた第１のコイルモジュールと、
第２の磁性シートと、上記第２の磁性シート上に設けられ、面状に巻回された第２のループコイルとを備えた第２のコイルモジュールとを有し、
上記第１のコイルモジュールと上記第２のコイルモジュールとが積層されるとともに、上記第１のループコイルの少なくとも最内周のコイルパターンと上記第２のループコイルとが重畳され、
上記第１のループコイルの上記第２のループコイルと重畳する上記最内周のコイルパターンの線幅は、該最内周よりも外側のコイルパターンの線幅よりも狭い電子機器。
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