JP6465247B2 - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の非接触伝送システムに使用されるアンテナ装置およびそれを備えた電子機器に関するものである。
従来のアンテナ装置として特許文献１に記載の非接触伝送デバイスがある。この非接触伝送デバイスでは、第１の巻線部の両端がそれぞれ共通端子および非接触通信用端子に接続され、第２の巻線部の両端がそれぞれ非接触通信用端子および非接触給電用端子に接続される。第１の巻線部は非接触通信用コイルとして使用される。第１の巻線部および第２の巻線部は非接触給電用コイルとして使用される。
特開２０１３−９３４２９号公報
特許文献１の非接触伝送デバイスでは、第１の巻線部が非接触通信および非接触給電に共用される。この場合、非接触通信用の通信回路が非接触給電用の受電回路から影響を受けることで、非接触通信の反応が遅くなるおそれがある。
本発明の目的は、受電回路と通信回路とが接続される場合でも、近距離無線通信システムの反応が早いアンテナ装置およびそれを備えた電子機器を提供することにある。
本発明のアンテナ装置は、第１コイルアンテナ、非接触電力伝送システムのための受電回路、近距離無線通信システムのための通信回路および制御回路を備える。受電回路は、第１コイルアンテナに縦続接続される入力部を有する整流回路と、整流回路の出力部に接続される平滑キャパシタと、整流回路の出力部に接続される負荷回路と、整流回路と負荷回路の間に接続されるスイッチ素子と、を有する。通信回路は、整流回路の入力部側において、受電回路と接続される。制御回路は、近距離無線通信システムの動作時と非接触電力伝送システムの動作時において、スイッチ素子のオン／オフを切り替える。本発明のアンテナ装置は、近距離無線通信システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、または、非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、検出回路を有する。制御回路は、検出回路によって検出された電圧または電流に基づいて、スイッチ素子のオン／オフを切り替える。スイッチ素子は、整流回路の出力部側において平滑キャパシタの少なくとも一端を整流回路から切り離す。
通信信号のエネルギーが受電回路の平滑キャパシタの充電に使われてしまうと、近距離無線通信における出力電圧の立ち上がり時間が長くなる。上述の構成では、近距離無線通信システムの動作時に、平滑キャパシタの一端が整流回路から切り離される。このため、受電回路と通信回路とが接続される場合でも、通信信号のエネルギーは平滑キャパシタの充電に使われないので、近距離無線通信における出力電圧の立ち上がり時間が短くなる。従って、受電回路と通信回路とが接続される場合でも、近距離無線通信システムの反応を早くできる。また、スイッチ素子が整流回路の出力部側に接続されるので、整流回路の入力部側に接続された回路の特性にスイッチ素子が与える影響を小さくできる。
スイッチ素子と平滑キャパシタとで直列回路が構成され、前記直列回路は負荷回路に並列接続されてもよい。この構成では、スイッチ素子が電力伝送の主線路に直列接続されない。このため、スイッチ素子による導通損失や寄生容量など、スイッチ素子が電力伝送に与える影響を小さくできる。
負荷回路と平滑キャパシタとで第１並列回路が構成され、スイッチ素子は前記第１並列回路に直列接続されてもよい。
負荷回路と平滑キャパシタとで第１並列回路が構成され、スイッチ素子は第１並列回路に並列接続されてもよい。
負荷回路と平滑キャパシタとで第１並列回路が構成され、スイッチ素子は負荷回路と平滑キャパシタの間に直列接続され、平滑キャパシタに充電回路が接続されてもよい。
第１コイルアンテナは、非接触電力伝送システムおよび近距離無線通信システムの動作時に使用されてもよい。
通信回路と接続される第２コイルアンテナを備え、受電回路と通信回路とは、第１コイルアンテナと第２コイルアンテナとの磁界、電界および電磁界のいずれかを介した結合により接続されてもよい。
非接触電力伝送システムおよび近距離無線通信システムはともに少なくとも磁界結合を介した伝送システムであることが好ましい。
非接触電力伝送システムはHF帯で使用されることが好ましい。
近距離無線通信システムはHF帯で使用されることが好ましい。
本発明のアンテナ装置は次のように構成されてもよい。整流回路は半導体素子により構成される。受電回路は、受電回路と通信回路との接続位置から整流回路側を見て、整流回路の入力部に並列接続されたインダクタを有する。整流回路の入力部において、整流回路の半導体素子の寄生容量と、インダクタとを含む第２並列回路が構成される。
近距離無線通信が行われるとき、整流回路の半導体素子の寄生容量のために一部の通信信号が整流回路側に流れることで、近距離無線通信における出力電圧が低下するおそれがある。上述の構成では、近距離無線通信システムの使用周波数において、第２並列回路のインピーダンスを高くすることで、通信信号が整流回路側に流れにくくすることができる。このため、近距離無線通信における出力電圧の低下を抑制できる。
第２並列回路において、近距離無線通信システムの使用周波数でのインピーダンスが、非接触電力伝送システムの使用周波数でのインピーダンスよりも高いことが好ましい。この構成では、通信信号が整流回路側に流れることを抑制できる。
第２並列回路の共振周波数は近距離無線通信システムの使用周波数に等しいことが好ましい。この構成では、近距離無線通信システムの使用周波数において、第２並列回路が共振することで、第２並列回路のインピーダンスが高くなる。このため、通信信号が整流回路側に流れることを抑制できる。
本発明の電子機器はアンテナ装置を備える。
アンテナ装置は、第１コイルアンテナ、非接触電力伝送システムのための受電回路、近距離無線通信システムのための通信回路および制御回路を備える。受電回路は、第１コイルアンテナに縦続接続される入力部を有する整流回路と、整流回路の出力部に接続される平滑キャパシタと、整流回路の出力部に接続される負荷回路と、整流回路と負荷回路の間に接続されるスイッチ素子と、を有する。通信回路は、整流回路の入力部側において、受電回路と接続される。制御回路は、近距離無線通信システムの動作時と非接触電力伝送システムの動作時において、スイッチ素子のオン／オフを切り替える。本発明のアンテナ装置は、近距離無線通信システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、または、非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、検出回路を有する。制御回路は、検出回路によって検出された電圧または電流に基づいて、スイッチ素子のオン／オフを切り替える。スイッチ素子は、整流回路の出力部側において平滑キャパシタの少なくとも一端を整流回路から切り離す。
本発明によれば、受電回路と通信回路とが接続される場合でも、近距離無線通信システムの反応を早くできる。
図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０のブロック図である。 図２はコイルアンテナ１２の模式的平面図である。 図３はアンテナ装置１０の回路図である。 図４は、図３に示す回路における非接触電力伝送システムの動作時の接続点Ａ１の電圧を示す計算結果である。 図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、比較例のアンテナ装置における近距離無線通信システムの動作時の受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧を示す計算結果である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、図３に示す回路における近距離無線通信システムの動作時の受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧を示す計算結果である。 図７は第２の実施形態に係るアンテナ装置６０のブロック図である。 図８はコイルアンテナ６２Ａ，６２Ｂの模式的平面図である。 図９は、第３の実施形態の第１の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１０は、第３の実施形態の第２の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１１は、第３の実施形態の第３の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１２は、第３の実施形態の第４の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１３は、第３の実施形態の第５の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１４は、第３の実施形態の第６の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１５は、第３の実施形態の第７の例に係るアンテナ装置のブロック図である。 図１６は第４の実施形態に係るアンテナ装置７０のブロック図である。 図１７はアンテナ装置７０の回路図である。 図１８は、図１７に示す回路における、インダクタＬPの値の変化に対する受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧の変化を示す計算結果である。 図１９は、第５の実施形態に係るアンテナ装置のブロック図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０のブロック図である。アンテナ装置１０はスマートフォン等の電子機器に実装される。アンテナ装置１０は、コイルアンテナ１２、受電回路１３、通信回路１４および制御回路１５を有する。コイルアンテナ１２は本発明の「第１コイルアンテナ」の一例である。コイルアンテナ１２および通信回路１４は受電回路１３に接続される。制御回路１５は、後述のように、受電回路１３のスイッチ素子ＳＷを制御する。
コイルアンテナ１２は非接触電力伝送システムおよび近距離無線通信システムの動作時に使用される。受電回路１３は非接触電力伝送システムに使用される。通信回路１４は近距離無線通信システムに使用される。非接触電力伝送システムは、例えば、近傍界において磁界結合を利用した非接触電力伝送システムであり、電磁誘導型電力伝送システムや磁界共鳴型電力伝送システムを含む。非接触電力伝送システムは、例えば、ＨＦ（High Frequency）帯、特に６．７８ＭＨｚ付近の周波数で用いられる。近距離無線通信システムは、例えば、ＮＦＣ（Near Field Communication）を用いたシステム等である。ＮＦＣは、近傍界において磁界結合を利用した近距離無線通信であり、Bluetooth（登録商標）等の電磁波を利用した近距離無線通信を含まない。近距離無線通信システムは、例えば、ＨＦ帯、特に１３．５６ＭＨｚ付近の周波数で用いられる。非接触電力伝送システムと近距離無線通信システムとは互いに異なる周波数で用いられる。
近距離無線通信システムの動作時には、アンテナ装置１０のコイルアンテナ１２と通信装置３０のコイルアンテナ３１とが磁界結合することで、アンテナ装置１０の通信回路１４と通信装置３０の通信回路３２との間で通信が行われる。非接触電力伝送システムの動作時には、アンテナ装置１０のコイルアンテナ１２と送電装置４０のコイルアンテナ４１とが磁界結合することで、送電装置４０の送電回路４２からアンテナ装置１０の受電回路１３に電力が伝送される。なお、通信回路１４が受信回路であり、通信回路３２が送信回路でもよいし、通信回路１４が送信回路であり、通信回路３２が受信回路でもよいし、通信回路１４，３２が共に送受信回路でもよい。
受電回路１３は、整合回路２１、ＥＭＩ（ElectroMagnetic Interference）フィルタ２２、整流回路２３、負荷回路１１、平滑キャパシタＣsおよびスイッチ素子ＳＷを有する。コイルアンテナ１２、整合回路２１、ＥＭＩフィルタ２２、整流回路２３および負荷回路１１は、この順で縦続接続される。負荷回路１１は、例えば、アンテナ装置１０が実装される電子機器の電源等として利用される２次電池を含む。負荷回路１１は、入力段に、所定の直流電圧に変換するＤＣＤＣコンバータを備えていてもよい。整流回路２３の出力部と負荷回路１１とはライン２５Ａ，２５Ｂにより接続される。ライン２５Ｂはグランド電位を有する。平滑キャパシタＣsの第１端子はライン２５Ａに接続される。平滑キャパシタＣsの第２端子はスイッチ素子ＳＷの第１端子に接続される。スイッチ素子ＳＷの第２端子はライン２５Ｂに接続される。整流回路２３の入力部はコイルアンテナ１２に縦続接続される。平滑キャパシタＣsは、整流回路２３の出力部に負荷回路１１とともに接続される。スイッチ素子ＳＷは整流回路２３の出力部側に接続される。スイッチ素子ＳＷと平滑キャパシタＣsとで直列回路が構成され、この直列回路が整流回路２３の出力部に負荷回路１１とともに並列接続される。整合回路２１は、後述のように、コイルアンテナ１２とともに共振回路を構成する共振キャパシタを含む。平滑キャパシタＣsの容量は整合回路２１内の共振キャパシタの容量より大きい。例えば、整合回路２１内の共振キャパシタの容量がｐＦオーダーであるのに対して、平滑キャパシタＣsの容量はμＦオーダーである。
通信回路１４は整合回路２１に接続される。通信回路１４は、整流回路２３の入力部側において受電回路１３に電気的に接続される。通信回路１４は受電回路１３とラインで接続される。なお、後述するように、通信回路１４と整合回路２１とは構成要素を共用してもよい。制御回路１５は、非接触電力伝送システムの動作時にスイッチ素子ＳＷをオンにし、近距離無線通信システムの動作時にスイッチ素子ＳＷをオフする。スイッチ素子ＳＷは、オン状態で、平滑キャパシタＣsの両端を整流回路２３の出力部に接続する。スイッチ素子ＳＷは、オフ状態で、整流回路２３の出力部側において平滑キャパシタＣsの一端を整流回路２３から切り離す。スイッチ素子ＳＷは、近距離無線通信システムの動作時でも非接触電力伝送システムの動作時でもない時、オフ状態となる。
制御回路１５は、電圧検出回路２４、ダイオードＤc１、抵抗Ｒc１，Ｒc２および平滑キャパシタＣc１を有する。電圧検出回路２４はコイルアンテナ１２と整合回路２１との間に縦続接続される。電圧検出回路２４は、コイルアンテナ１２の両端間の電圧を検出し、その電圧に応じた検出電圧を電圧検出回路２４の出力端子から出力する。この際、電圧検出回路２４は、非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧を検出する。換言すると、電圧検出回路２４は、その入力電圧の周波数が非接触電力伝送システムで使用される周波数である場合、検出電圧を出力し、それ以外の場合、検出電圧を出力しない。ダイオードＤc１、抵抗Ｒc１，Ｒc２および平滑キャパシタＣc１は、電圧検出回路２４の出力端子とスイッチ素子ＳＷの制御端子との間に、電圧検出回路２４の出力端子側からこの順で接続される。ダイオードＤc１は整流回路を構成し、抵抗Ｒc１，Ｒc２は分圧回路を構成する。なお、スイッチ素子ＳＷの寄生容量が平滑キャパシタとして機能する場合、平滑キャパシタＣc１は必須ではない。また、検出電圧を分圧しなくとも良い場合、抵抗Ｒc１は必須ではない。
電圧検出回路２４が非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧を検出すると、電圧検出回路２４の出力端子から検出電圧が出力される。検出電圧は、整流および平滑された後、制御回路１５からスイッチ素子ＳＷの制御端子へ出力される。この出力電圧が閾値を超えると、スイッチ素子ＳＷがオンする。
図２はコイルアンテナ１２の模式的平面図である。コイルアンテナ１２は、基板（図示せず）上に形成された線状導体パターンで構成される。但し、平面視でコイルアンテナ１２の線状部分が互いに交差する個所では、層間接続導体やジャンパー導体が用いられる。コイルアンテナ１２のターン数は２であり、コイルアンテナ１２の開口は平面視で矩形状である。コイルアンテナ１２の端部は受電回路１３（図１参照）に接続される。なお、コイルアンテナ１２のターン数や形状は、図２に示されるものに限定されず、適宜定められる。また、コイルアンテナ１２は、コイルアンテナ１２を構成する線状導体パターンの全部が非接触電力伝送システムおよび近距離無線通信システムで使用されてもよいし、一部のみが非接触電力伝送システムまたは近距離無線通信システムで使用されてもよい。つまり、コイルアンテナ１２の少なくとも一部の線状導体パターンが非接触電力伝送システムの受電回路１３の２つの端子の間に接続され、コイルアンテナ１２の少なくとも一部の線状導体パターンが近距離無線通信システムの通信回路１４の２つの端子の間に接続されればよい。
図３はアンテナ装置１０の回路図である。図３に示す回路では、制御回路１５（図１参照）およびＥＭＩフィルタ２２を省略している。また、この回路では、送電装置４０の回路として簡易モデルを採用している。また、この回路では、通信装置３０を送信装置として構成している。
インダクタＬ１はコイルアンテナ１２（図１参照）のインダクタンスであり、抵抗Ｒ１はコイルアンテナ１２の抵抗である。整合回路２１はキャパシタＣ１〜Ｃ４から構成される。キャパシタＣ１，Ｃ２は、インダクタＬ１の第１端子と整流回路２３の入力部とを接続するラインに、直列接続されている。キャパシタＣ３，Ｃ４は、インダクタＬ１の第２端子と整流回路２３の入力部とを接続するラインに、直列接続されている。インダクタＬ１およびキャパシタＣ１〜Ｃ４は、非接触電力伝送システムで使用される周波数で共振する共振回路を構成する。キャパシタＣ１〜Ｃ４は上述の共振キャパシタに相当する。整流回路２３はダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される。平滑キャパシタＣsの容量はキャパシタＣ１〜Ｃ４のいずれの容量よりも大きい。スイッチ素子ＳＷの制御端子Ｐ１は制御回路１５（図１参照）に接続される。
回路５１および通信用ＩＣ５２は通信回路１４（図１参照）を構成する。回路５１は整合回路およびフィルタとして機能する。回路５１と整合回路２１はキャパシタＣ１，Ｃ３を共用する。通信用ＩＣ５２は回路５１を介して整合回路２１に接続される。回路５１は、キャパシタＣ１，Ｃ３，Ｃ５〜１０およびインダクタＬ２，Ｌ３から構成される。キャパシタＣ５，Ｃ７，Ｃ９およびインダクタＬ２は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との接続点Ａ４と、通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ１との間に、接続点Ａ４側からこの順で接続される。キャパシタＣ５，Ｃ９は、接続点Ａ４と通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ１とを接続するラインからグランドに対してシャント接続される。キャパシタＣ７およびインダクタＬ２は、接続点Ａ４と通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ１とを接続するラインに直列接続される。キャパシタＣ６，Ｃ８，Ｃ１０およびインダクタＬ３は、キャパシタＣ３とキャパシタＣ４との接続点Ａ５と、通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ２との間に、接続点Ａ５側からこの順で接続される。キャパシタＣ６，Ｃ１０は、接続点Ａ５と通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ２とを接続するラインからグランドに対してシャント接続される。キャパシタＣ８およびインダクタＬ３は、接続点Ａ５と通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ２とを接続するラインに直列接続される。キャパシタＣ９およびインダクタＬ２から構成される回路、ならびに、キャパシタＣ１０およびＬ３から構成される回路は、近距離無線通信システムで使用される周波数より高周波数の信号を除去するローパスフィルタを構成する。キャパシタＣ７とインダクタＬ２との接続点は受信用端子Ｒｘ１に接続される。キャパシタＣ８とインダクタＬ３との接続点は受信用端子Ｒｘ２に接続される。
インダクタＬ４はコイルアンテナ３１（図１参照）のインダクタンスを表し、抵抗Ｒ６はコイルアンテナ３１の抵抗を表す。回路５３および送信用ＩＣ５４は通信回路３２（図１参照）を構成する。回路５３は整合回路およびフィルタとして機能する。送信用ＩＣ５４は回路５３を介してインダクタＬ４に接続される。回路５３はキャパシタＣ１１〜１６およびインダクタＬ５，Ｌ６から構成される。キャパシタＣ１１，Ｃ１３，Ｃ１５およびインダクタＬ５は、インダクタＬ４の第１端子と送信用ＩＣ５４との間に、インダクタＬ４側からこの順で接続される。キャパシタＣ１１，Ｃ１５は、インダクタＬ４の第１端子と送信用ＩＣ５４とを接続するラインからグランドに対してシャント接続される。キャパシタＣ１３およびインダクタＬ５は、インダクタＬ４の第１端子と送信用ＩＣ５４とを接続するラインに直列接続される。キャパシタＣ１２，Ｃ１４，Ｃ１６およびインダクタＬ６は、インダクタＬ４の第２端子と送信用ＩＣ５４との間に、インダクタＬ４側からこの順で接続される。キャパシタＣ１２，Ｃ１６は、インダクタＬ４の第２端子と送信用ＩＣ５４とを接続するラインからグランドに対してシャント接続される。キャパシタＣ１４およびインダクタＬ６は、インダクタＬ４の第２端子と送信用ＩＣ５４とを接続するラインに直列接続される。キャパシタＣ１５およびインダクタＬ５から構成される回路、ならびに、キャパシタＣ１６およびインダクタＬ６から構成される回路は、近距離無線通信システムで使用される周波数より高周波数の信号を除去するローパスフィルタを構成する。
インダクタＬ７はコイルアンテナ４１（図１参照）のインダクタンスを表し、抵抗Ｒ７はコイルアンテナ４１の抵抗を表す。キャパシタＣ１７および交流発生回路５５は送電回路４２を構成する。交流発生回路５５は直流電圧を交流電圧に変換する。交流発生回路５５は、キャパシタＣ１７を介してインダクタＬ７の第１端子に接続されるとともに、抵抗Ｒ７を介してインダクタＬ７の第２端子に接続される。キャパシタＣ１７およびインダクタＬ７は、非接触電力伝送システムで使用される周波数で共振する共振回路を構成する。
図４は、図３に示す回路における非接触電力伝送システムの動作時の接続点Ａ１の電圧を示す計算結果である。接続点Ａ１はライン２５Ａと負荷回路１１との接続点である。接続点Ａ１の電圧は受電回路１３から負荷回路１１への出力電圧である。接続点Ａ１の電圧は、電力伝送の開始から約０．０５ｍｓ経過後に、ほぼ一定の値（約１８Ｖ）となる。即ち、電力伝送の開始から約０．０５ｍｓ経過後に、所定の出力電圧が得られている。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、比較例のアンテナ装置における近距離無線通信システムの動作時の受信用端子Ｒｘ１（図３参照）と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧を示す計算結果である。比較例のアンテナ装置は、スイッチ素子ＳＷを有しないことを除いて、図３に示す回路と同様である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、図３に示す回路における近距離無線通信システムの動作時の受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧を示す計算結果である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、通信用ＩＣ５２が通信信号を受信する時の受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧を示している。受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧は通信用ＩＣ５２への出力電圧である。図５（Ａ）および図６（Ａ）は受信開始から１０ｍｓまでの電圧波形の包絡線を示している。図５（Ｂ）および図６（Ｂ）は受信開始から１０μｓまでの電圧波形を示している。
図５（Ａ）に示すように、比較例のアンテナ装置において、受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧（受信用端子間の電圧）の振幅は、通信開始から約４ｍｓの経過後に、ほぼ一定の値（約４Ｖ）となる。図５（Ｂ）に示すように、比較例のアンテナ装置において、受信用端子間の電圧の振幅は、受信開始から１０μｓまでの間、０．８Ｖより小さい。即ち、比較例のアンテナ装置では、十分な出力電圧が得られるまでにｍｓオーダーの時間を要する。図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、アンテナ装置１０において、受信用端子間の電圧の振幅は、通信開始から約３μｓの経過後に、ほぼ一定の値（約４Ｖ）となる。即ち、アンテナ装置１０では、十分な出力電圧が得られるまでにμｓオーダーの時間で済み、十分な出力電圧が得られるまでの立ち上がり時間が短い。
なお、これらの結果は、通信回路１４が送信回路であり、通信回路３２が受信回路である場合でも同様である。即ち、その場合、アンテナ装置１０では、比較例のアンテナ装置に比べて、コイルアンテナ１２に印加される電圧の立ち上がり時間が短い。
比較例のアンテナ装置では、通信信号のエネルギーが平滑キャパシタＣsの充電に使われてしまうので、近距離無線通信における出力電圧の立ち上がり時間が長くなる。特に、平滑キャパシタＣsの容量は大きいので、近距離無線通信における出力電圧の立ち上がり時間への影響が大きい。これに対して、第１の実施形態では、近距離無線通信システムの動作時にスイッチ素子ＳＷがオフするので、平滑キャパシタＣsの一端が整流回路２３から切り離される。このため、通信信号のエネルギーが平滑キャパシタＣsの充電に使われないので、近距離無線通信における出力電圧の立ち上がり時間は短くなる。従って、受電回路１３と通信回路１４とが接続される場合でも、近距離無線通信システムの反応を早くできる。
また、第１の実施形態では、平滑キャパシタＣsとスイッチ素子ＳＷとの直列回路が整流回路２３の出力部に並列接続される。即ち、スイッチ素子ＳＷが電力伝送の主線路に直列接続されない。このため、スイッチ素子ＳＷによる導通損失や寄生容量など、スイッチ素子ＳＷが電力伝送特性に与える影響を小さくできる。
また、スイッチ素子ＳＷが整流回路２３の入力部側に接続されると、整流回路２３の入力部側に接続された回路の特性が大きく変化してしまう。第１の実施形態では、スイッチ素子ＳＷを整流回路２３の出力部側に接続するので、コイルアンテナ１２と共振キャパシタとから構成される共振回路、整合回路２１およびＥＭＩフィルタ２２の特性にスイッチ素子ＳＷが与える影響を小さくできる。
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、受電回路が第１コイルアンテナに接続され、通信回路が第２コイルアンテナに接続される。受電回路と通信回路とは、第１コイルアンテナと第２コイルアンテナとの磁界、電界および電磁界のいずれかを介した結合により接続される。
図７は第２の実施形態に係るアンテナ装置６０のブロック図である。図７では制御回路の図示を省略している。受電回路１３はコイルアンテナ６２Ａ（第１コイルアンテナ）に接続される。コイルアンテナ６２Ａは非接触電力伝送システムの動作時に使用される。通信回路１４はコイルアンテナ６２Ｂ（第２コイルアンテナ）に接続される。コイルアンテナ６２Ｂは近距離無線通信システムの動作時に使用される。コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとは、磁界、電界または電磁界を介して結合する。ここで、コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとの電界結合は、例えば、コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとの間の寄生容量を介した結合である。コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとの電磁界結合は、磁界および電界の両方を介した結合である。
図８はコイルアンテナ６２Ａ，６２Ｂの模式的平面図である。コイルアンテナ６２Ｂは、平面視で、コイルアンテナ６２Ａの開口内に形成される。コイルアンテナ６２Ａの端部は受電回路１３（図７参照）に接続される。コイルアンテナ６２Ｂの端部は通信回路１４（図７参照）に接続される。コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとは近接して配置されている。これにより、コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとは、磁界、電界または電磁界結合している。なお、コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂのターン数や形状、配置は、図８に示されるものに限定されず、適宜定められる。例えば、コイルアンテナ６２Ａよりコイルアンテナ６２Ｂが大きくても良いし、コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂの一部が平面視で重なるように配置されても良い。
第２の実施形態では、コイルアンテナ６２Ａとコイルアンテナ６２Ｂとが、磁界、電界または電磁界を介して結合しているので、通信回路１４が受電回路１３からの影響を受ける。しかし、第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、近距離無線通信システムの動作時に平滑キャパシタＣsの一端が整流回路２３から切り離されるので、近距離無線通信システムの反応を早くできる。
《第３の実施形態》
図９から図１１は、第３の実施形態の第１の例から第３の例に係るアンテナ装置のブロック図である。図９から図１１では、制御回路１５の図示を省略している。第１の例では、スイッチ素子ＳＷの第１端子がライン２５Ａに接続され、スイッチ素子ＳＷの第２端子が平滑キャパシタＣsの第１端子に接続され、平滑キャパシタＣsの第２端子がライン２５Ｂに接続される。この構成では、平滑キャパシタＣsをグランド電位に接続できる。第２の例では、スイッチ素子ＳＷが整流回路２３と平滑キャパシタＣsとの間のライン２５Ａに直列接続される。この構成では、スイッチ素子ＳＷがオフになると負荷回路１１も整流回路２３から切り離されるため、さらに信号電圧の立ち上がりを早くすることができる。第３の例では、スイッチ素子ＳＷが整流回路２３と平滑キャパシタＣsとの間のライン２５Ｂに直列接続される。この構成では、スイッチ素子ＳＷをグランド電位に接続できるため、回路を小型化、簡略化することができる。第２の例および第３の例では、電力伝送の主線路にスイッチ素子ＳＷが直列接続される。換言すると、負荷回路１１と平滑キャパシタＣsとで並列回路（第１並列回路）が構成され、その並列回路にスイッチ素子ＳＷが直列接続される。
図１２は、第３の実施形態の第４の例に係るアンテナ装置のブロック図である。図１２に示すように、整合回路２１内、整合回路２１とＥＭＩフィルタ２２との間、および、ＥＭＩフィルタ２２と整流回路２３との間のいずれかに電圧検出回路２４を配置し、その位置での電圧を検出してもよい。また、図１２に示すように、コイルアンテナ１２の所定の線状部分の両端間の電圧を検出してもよい。少なくとも、電圧検出回路２４が整流回路２３の入力部側で接続されるのであれば、電圧検出回路２４は交流の電圧を検出することができる。このように、電圧検出の位置は複数の選択肢の中から適宜定められる。
図１３は、第３の実施形態の第５の例に係るアンテナ装置のブロック図である。第５の例では、電圧検出回路２４とスイッチ素子ＳＷとの間に増幅回路ＰＡが接続される。増幅回路ＰＡの電源は電子機器のバッテリー等である。第５の例では、電圧検出回路２４の検出電圧が増幅回路ＰＡで増幅される。このため、第５の例のアンテナ装置は、電圧検出回路２４の検出電圧がスイッチ素子ＳＷをオンするために不十分な場合に有用である。
図１４は、第３の実施形態の第６の例に係るアンテナ装置のブロック図である。第６の例では、電流検出回路２６が電力伝送の主線路に直列接続される。電流検出回路２６は、図１４に示すようにコイルアンテナ１２と整合回路２１との間に配置されてもよいが、整合回路２１内、整合回路２１とＥＭＩフィルタ２２との間、および、ＥＭＩフィルタ２２と整流回路２３との間のいずれかに配置されてもよい。
図１５は、第３の実施形態の第７の例に係るアンテナ装置のブロック図である。図１５では、制御回路１５の図示を省略している。第７の例では、スイッチ素子ＳＷ１の第１端子がライン２５Ａに接続され、スイッチ素子ＳＷ１の第２端子が２５Ｂに接続されている。スイッチ素子ＳＷ１は、非接触電力伝送システムの動作時にオフし、近距離無線通信システムの動作時にオンする。この構成では、スイッチ素子ＳＷ１がオンになると平滑キャパシタＣsの両端が短絡されるので、平滑キャパシタＣsへの充電が行われなくなり、平滑キャパシタＣsの充電による立ち上がり時間の増加などの影響を軽減できる。また、近距離無線通信システムの動作時に平滑キャパシタＣsに充電された電荷を放電することで、負荷回路１１の誤動作を抑制することができる。
《第４の実施形態》
第４の実施形態では、整流回路の入力部にインダクタが並列接続される。図１６は第４の実施形態に係るアンテナ装置７０のブロック図である。整流回路８３の入力部とＥＭＩフィルタ２２とはライン２７Ａ，２７Ｂにより接続される。インダクタＬPの第１端子はライン２７Ａに接続される。インダクタＬPの第２端子は抵抗ＲPを介してライン２７Ｂに接続される。即ち、受電回路７３は、受電回路７３と通信回路１４との接続位置（整合回路８１が設けられた位置）から整流回路８３側を見て、整流回路８３の入力部に並列接続されたインダクタＬPを有する。整流回路８３は、ダイオード、ＦＥＴ等の半導体素子により構成される。この半導体素子の寄生容量により等価的な寄生容量ＣPが形成される。寄生容量ＣPは、例えば、１５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の値を有する。インダクタＬPと寄生容量ＣPとが並列接続されることで、並列回路２８（第２並列回路）が構成される。即ち、整流回路８３の入力部において、整流回路８３の半導体素子の寄生容量と、インダクタＬPとを含む並列回路２８が構成される。
負荷回路１１のインピーダンスは、近距離無線通信システムの使用周波数において十分高い。換言すると、負荷回路１１に接続される受電回路７３の出力端子は、近距離無線通信システムの使用周波数において略開放される。また、並列回路２８の共振周波数は近距離無線通信システムの使用周波数に等しい。並列回路２８のインピーダンスは、近距離無線通信システムの使用周波数において十分高くなる。並列回路２８において、近距離無線通信システムの使用周波数でのインピーダンスが、非接触電力伝送システムの使用周波数でのインピーダンスよりも高い。このため、近距離無線通信システムの使用周波数において、受電回路７３と通信回路１４との接続位置から整流回路８３側を見たときのインピーダンスが十分高い。なお、近距離無線通信システムの使用周波数において、受電回路７３と通信回路１４との接続位置から整流回路８３側を見たときのインピーダンスが十分高ければ、並列回路２８の共振周波数は近距離無線通信システムの使用周波数からずれてもよい。
図１７はアンテナ装置７０の回路図である。図１７に示す回路では、制御回路１５（図１６参照）およびＥＭＩフィルタ２２を省略している。また、この回路では、送電装置４０の回路として簡易モデルを採用している。また、この回路では、通信装置３０を送信装置として構成している。整合回路８１はキャパシタＣ１，Ｃ３から構成される。整流回路８３は、整流回路２３（図３参照）と同様に、ダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される。接続点Ａ４は、キャパシタＣ７およびインダクタＬ２を介して通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ１に接続されている。接続点Ａ５は、キャパシタＣ８およびインダクタＬ３を介して通信用ＩＣ５２の送信用端子Ｔｘ２に接続されている。インダクタＬPは、接続点Ａ４，Ａ５から整流回路８３側を見て、整流回路８３の入力部に並列接続されている。
図１８は、図１７に示す回路における、インダクタＬPの値の変化に対する受信用端子Ｒｘ１と受信用端子Ｒｘ２との間の電圧（受信用端子間の電圧）の変化を示す計算結果である。図１８は、近距離無線通信システムの動作時における、立ち上がり時間経過後の受信用端子間の電圧を示している。図１８は、通信用ＩＣ５２が通信信号を受信する時の受信用端子間の電圧を示している。受信用端子間の電圧は、インダクタＬPが約５μＨのとき、最大になる。受信用端子間の電圧は、インダクタＬPが５μＨ以上８μＨ以下の範囲で変化するとき、略一定である。なお、抵抗ＲPにより並列回路２８のＱ値が低下するため、受信用端子間の電圧のピーク幅が広くなっている。
近距離無線通信が行われるとき、整流回路８３の寄生容量ＣPのために一部の通信信号が整流回路８３側に流れることで、近距離無線通信における出力電圧が低下するおそれがある。第４の実施形態では、整流回路８３の入力部にインダクタＬPが並列接続される。インダクタＬPは、近距離無線通信システムの使用周波数において、並列回路２８が共振することで、受電回路７３と通信回路１４との接続位置から整流回路８３側を見たときのインピーダンスが大きくなるように定められる。このため、通信信号が整流回路８３側に流れにくくなるので、近距離無線通信における出力電圧の低下が抑制される。
例えば、図１７に示す回路では、インダクタＬPが５μＨ以上８μＨ以下の値をとるとき、近距離無線通信システムの使用周波数において、並列回路２８が共振する。このため、図１８に示すように、インダクタＬPが５μＨ以上８μＨ以下の値をとるとき、近距離無線通信における出力電圧の低下が抑制される。
《第５の実施形態》
図１９は、第５の実施形態に係るアンテナ装置のブロック図である。図１９では、制御回路１５の図示を省略している。スイッチ素子ＳＷは平滑キャパシタＣsと負荷回路１１の間に配置され、第１端子が平滑キャパシタＣsに第２端子が負荷回路１１に接続されている。また、平滑キャパシタＣsに、充電回路１６が接続されている。近距離無線通信が行われるとき、平滑キャパシタＣsの端子間電圧が通信信号電圧よりも高い電圧となるように充電回路１６が平滑キャパシタＣsに充電を行う。このとき、負荷回路１１に充電電流が流れないように、スイッチ素子ＳＷをオフにする。なお、負荷回路１１での消費電力が小さい場合（つまり、負荷抵抗が大きい場合）、スイッチ素子ＳＷを省略してもよい。また、スイッチ素子ＳＷは、負荷回路１１に含まれていてもよい。
この構成では、平滑キャパシタＣsの端子間電圧を通信信号よりも高い電圧にすることで、整流回路２３が導通せず、通信信号のエネルギーが平滑キャパシタＣsの充電に使われないので、近距離無線通信システムの反応を早くすることができる。
また、平滑キャパシタＣsの端子間電圧を通信信号電圧よりも高くすることによって、整流回路２３のダイオードに逆方向の電圧を印加することができる。整流回路２３のダイオードの寄生容量は電圧依存性をもち、逆方向の電圧に対して、容量が低下する。従って、平滑キャパシタＣsを充電することによって、整流回路２３のダイオードを導通させない状態にするとともに、整流回路２３のダイオードの寄生容量の影響を軽減することができる。充電は、制御回路１５から直接電圧を印加してもよいし、また、電圧変換回路（昇圧回路）を介して充電してもよい。
なお、上述の実施形態では、非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出することで、スイッチ素子をオンオフ制御する例を示したが、近距離無線通信システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出することで、スイッチ素子をオンオフ制御してもよい。
また、上述の実施形態では、電圧検出回路または電流検出回路の出力に応じてスイッチ素子をオンオフ制御する例を示したが、ユーザによる使用システムの切替に応じてスイッチ素子をオンオフ制御してもよい。
Ａ１，Ａ４，Ａ５…接続点
Ｃ１〜１７，ＣP…キャパシタ
Ｃc１，Ｃs…平滑キャパシタ
Ｄ１〜Ｄ４，Ｄc１…ダイオード
Ｌ１〜Ｌ７，ＬP…インダクタ
Ｐ１…制御端子
ＰＡ…増幅回路
Ｒ１，Ｒ６，Ｒ７，Ｒc１，Ｒc２，ＲP…抵抗
Ｒｘ１，Ｒｘ２…受信用端子
ＳＷ，ＳＷ１…スイッチ素子
Ｔｘ１，Ｔｘ２…送信用端子
１０，６０，７０…アンテナ装置
１１…負荷回路
１２，３１，４１，６２Ａ，６２Ｂ…コイルアンテナ
１３，７３…受電回路
１４，３２…通信回路
１５…制御回路
１６…充電回路
２１，８１…整合回路
２２…ＥＭＩフィルタ
２３，８３…整流回路
２４…電圧検出回路
２５Ａ，２５Ｂ，２７Ａ，２７Ｂ…ライン
２６…電流検出回路
２８…並列回路（第２並列回路）
３０…通信装置
４０…送電装置
４２…送電回路
５１，５３…回路
５２…通信用ＩＣ
５４…送信用ＩＣ
５５…交流発生回路

Claims (14)

  1. 第１コイルアンテナと、
    前記第１コイルアンテナに縦続接続される入力部を有する整流回路と、前記整流回路の出力部に接続される平滑キャパシタと、前記整流回路の出力部に接続される負荷回路と、前記整流回路と前記負荷回路の間に接続されるスイッチ素子と、を有する非接触電力伝送システムのための受電回路と、
    前記整流回路の入力部側において、前記受電回路と接続される、近距離無線通信システムのための通信回路と、
    前記近距離無線通信システムの動作時と前記非接触電力伝送システムの動作時において、前記スイッチ素子のオン／オフを切り替える制御回路と、を備え、
    前記近距離無線通信システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、または、前記非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、検出回路を有し、
    前記制御回路は、前記検出回路によって検出された電圧または電流に基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフを切り替え、
    前記スイッチ素子は、前記整流回路の出力部側において前記平滑キャパシタの少なくとも一端を前記整流回路から切り離すアンテナ装置。
  2. 前記スイッチ素子と前記平滑キャパシタとで直列回路が構成され、前記直列回路は前記負荷回路に並列接続される、請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記負荷回路と前記平滑キャパシタとで第１並列回路が構成され、前記スイッチ素子は前記第１並列回路に直列接続される、請求項１に記載のアンテナ装置。
  4. 前記負荷回路と前記平滑キャパシタとで第１並列回路が構成され、前記スイッチ素子は前記第１並列回路に並列接続される、請求項１に記載のアンテナ装置。
  5. 前記負荷回路と前記平滑キャパシタとで第１並列回路が構成され、前記スイッチ素子は前記負荷回路と前記平滑キャパシタの間に直列接続され、前記平滑キャパシタに充電回路が接続される、請求項１に記載のアンテナ装置。
  6. 前記第１コイルアンテナは、前記非接触電力伝送システムおよび前記近距離無線通信システムの動作時に使用される、請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ装置。
  7. 前記通信回路と接続される第２コイルアンテナを備え、
    前記受電回路と前記通信回路とは、前記第１コイルアンテナと前記第２コイルアンテナとの磁界、電界および電磁界のいずれかを介した結合により接続される、請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ装置。
  8. 前記非接触電力伝送システムおよび前記近距離無線通信システムはともに少なくとも磁界結合を介した伝送システムである、請求項１から７のいずれかに記載のアンテナ装置。
  9. 前記非接触電力伝送システムはHF帯で使用される、請求項１から８のいずれかに記載のアンテナ装置。
  10. 前記近距離無線通信システムはHF帯で使用される、請求項１から９のいずれかに記載のアンテナ装置。
  11. 前記整流回路は半導体素子により構成され、
    前記受電回路は、前記受電回路と前記通信回路との接続位置から前記整流回路側を見て、前記整流回路の入力部に並列接続されたインダクタを有し、
    前記整流回路の入力部において、前記整流回路の前記半導体素子の寄生容量と、前記インダクタとを含む第２並列回路が構成される、請求項１から１０のいずれかに記載のアンテナ装置。
  12. 前記第２並列回路において、前記近距離無線通信システムの使用周波数でのインピーダンスが、前記非接触電力伝送システムの使用周波数でのインピーダンスよりも高い、請求項１１に記載のアンテナ装置。
  13. 前記第２並列回路の共振周波数は前記近距離無線通信システムの使用周波数に等しい、請求項１１または１２に記載のアンテナ装置。
  14. 第１コイルアンテナと、
    前記第１コイルアンテナに縦続接続される入力部を有する整流回路と、前記整流回路の出力部に接続される平滑キャパシタと、前記整流回路の出力部に接続される負荷回路と、前記整流回路と前記負荷回路の間に接続されるスイッチ素子と、を有する非接触電力伝送システムのための受電回路と、
    前記整流回路の入力部側において、前記受電回路と接続される、近距離無線通信システムのための通信回路と、
    前記近距離無線通信システムの動作時と前記非接触電力伝送システムの動作時において、前記スイッチ素子のオン／オフを切り替える制御回路と、を有し、
    前記近距離無線通信システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、または、前記非接触電力伝送システムで使用される周波数を有する電圧または電流を検出する、検出回路を有し、
    前記制御回路は、前記検出回路によって検出された電圧または電流に基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフを切り替え、
    前記スイッチ素子は、前記整流回路の出力部側において前記平滑キャパシタの少なくとも一端を前記整流回路から切り離す、アンテナ装置を備えた、電子機器。
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