JP6560816B2 - アンテナを備えるデバイス - Google Patents

Description

本発明は、アンテナを組み込んだ電気デバイスに関し、とりわけ、変圧器を使用するデバイスに関する。

多くの異なるタイプのデバイスは、例えばデバイスのコンフィギュレーション(configuration)又はデバイスの遠隔制御のため、デバイスと無線遠隔通信を可能にするために、無線周波数（RF）アンテナを備えている。例えば、近距離無線通信（NFC）は、遠隔通信デバイスを使用するデバイスと無線で且つ非接触で通信することを可能にする。

無線通信インタフェースを備えることが増しているデバイスのタイプの一例は、照明器具又はその他の照明装置である。無線通信は、光出力を制御するために使用されてもよい。

例えば、LED照明器具又はモジュールに組み込まれた近距離無線通信（NFC）システムは、光出力のコンフィギュレーション及びリコンフィギュレーションを容易にする。これは、例えば、照明製品にNFCタグ集積回路（IC）及びその関連アンテナを付加することによって実施される。ICは、製品の組込マスタ制御ユニットに有線内部接続されているので、遠隔NFCトランスポンダによってタグICに書き込まれた命令は、マスタ制御ユニットによってアクセスされ得る。

米国特許出願公開第US20030146803A1号は、RF電源をRFアンテナに結合する整合ネットワークを開示している。RF電源は変圧器の一次側に接続され、アンテナは変圧器の二次側で電気的に接続される。

しばしば、金属ハウジング及び/又はヒートシンクが、電気モジュールの一部である。この場合、NFCタグは、モジュール内部のプリント回路基板（PCB）と一体化される。例えば、特定のNFCリーダのアンテナの最大読み取り距離によって示されるようなアンテナ性能は、これら周囲の金属部品のために深刻な影響を受ける。

大きな読み取り距離を維持するための1つの通常のアプローチは、周囲の金属部品からアンテナを隔離するために、フェライトシート等のフェライト材料を設けることである。しかしながら、余分なフェライトシートを使用することは、材料費の増加を招く。米国特許出願公開第US20070273600A1号は、アンテナ素子とプリント回路基板との間に磁性体を介在させて配置し、この磁性体はアンテナ素子とプリント回路基板のグランド面との間の高アイソレーション効果を示し、これにより、アンテナ放射特性を高める構造を開示している。また、米国特許出願公開第US20070273600A1号は、アンテナ基板、トランス磁心、磁気ヘッドコア、インダクタ、チョークコイル、フィルタ又は電波吸収体等の100MHz又は1GHz以上の高周波領域で用いられる高周波磁性部品の優れた部材として用いられ得る磁性層を開示している。

追加の遮蔽部品を要することなくデバイス内のアンテナ性能を維持できることが望ましい。

本発明は、添付の請求項によって規定される。

本発明の一態様による実施例によれば、フェライトコアを備える変圧器、及び
ＲＦアンテナ、
を有する電気デバイスであって、
ＲＦアンテナは、変圧器から電気的に絶縁され、ＲＦアンテナの表面に沿ったＲＦアンテナの幾何学的寸法は、最大寸法を含み、ＲＦアンテナは、フェライトコアの最も近い部分から最大寸法未満だけ空間的に離間されている、電気デバイスが提供される。

本発明は、アンテナをデバイスの他の部分から絶縁するために変圧器のフェライトコアを利用する。これは、デバイスのこれらの部分がアンテナの性能、とりわけ、受信範囲に及ぼす影響を低減するのに役立つ。これは、強磁性遮蔽板の必要性を回避することができる。このようにして、変圧器の二重の機能が実現される。すなわち、デバイス内の既存の回路のため電気的に変圧することと、RFアンテナのため金属部品から絶縁するためのフェライトコアを提供することである。米国特許出願公開第US20070273600A1号との大きな相違点は、この先行技術はアンテナ基板又はトランス磁心として用いられ得る磁性層のみを開示し、フェライトコアの上述した二重の機能を開示していないことである。

より特定の実施形態では、アンテナは矩形アンテナを含み、最大寸法はその対角線の長さを含んでもよく、又はアンテナは円形又は楕円形アンテナを含み、最大寸法はその最大径を含んでもよい。

本発明は、様々なアンテナデザインに適用されることができる。一般に、任意の形状のアンテナについて、最大寸法は、アンテナが形成される表面内又はその周りのアンテナのポイント間の最大のポイントツーポイント寸法と見なしてもよい。この間隔は、この最大寸法の90％未満又は80％未満又は70％未満又はさらには60％未満であってもよい。アンテナは、典型的には、トラックアンテナである。

RFアンテナは、最大寸法の10倍未満の最大範囲を有する近距離無線通信アンテナを含むことが好ましい。例えば、RFアンテナは平面アンテナを含む、換言すれば、アンテナ全体が主に平面上に延びている。代替的に、アンテナは、アンテナ全体が曲面上に延びる、湾曲アンテナであってもよい。

斯かる短距離アンテナは、とりわけ、電磁束密度の低下によって引き起こされる範囲の減少(any reduction in range)に対して脆弱である。本発明は、アンテナ性能を維持することを可能にする。本発明は、干渉からの隔離も改善する。

RFアンテナは、例えば、NFCトランスポンダタグ又はNFCリーダ／ライタの一部である。

フェライトコアは、より大きな面の１つがRFアンテナに面している直方体を含み、フェライトコアのより大きな面の面積は、RFアンテナの面積より大きくてもよい。

これにより、最良の隔離が得られる。しかしながら、RF性能は、フェライトコアの面のうちのより小さな面がアンテナに面することでさえも改善される。

デバイスは、ヒートシンク等金属体を含み、RFアンテナは、金属体の近くに配置されてもよい。

金属体は、アンテナ性能に悪影響を与える可能性がとりわけ高い。LEDドライバモジュールにおいて、タグは必然的にヒートシンクに近接しているため、フェライトトランスコアの使用は、ヒートシンクの影響(impact)を低減する。

デバイスは、ヒートシンクとして用いられるハウジングを有し、RFアンテナは、ハウジング内部に配置されてもよい。

典型的には、アンテナは斯かるハウジングの内部にあるので、ユーザは触れることができない。しかしながら、ハウジングは金属で完全には覆われない。さもなければ、アンテナは機能しないからである。ハウジングは、プラスチック又は部分的に金属であり、部分的にプラスチックであってもよい。例えば、外側ハウジングのいくつかの表面は、ヒートシンクとして機能するよう金属で覆われてもよい。NFCアンテナが置かれる非被覆表面は、金属で覆われないが、プラスチック又は他の絶縁部品によって覆われるか、又はハウジングのその部分で吹きさらし(open to the air)でもよい。

好ましくは、RFアンテナに最も近いフェライトコアは、変圧器の巻線コイルが無く剥き出しである。このようにして、フェライトコアは、巻線コイルによって塞がれず、斯くして、遮蔽性能が最適化される。

デバイスはドライバ回路を有し、変圧器は、ドライバ回路の一部であってもよい。例えば、ドライバ回路は、独立したスイッチモード電源を有してもよい。とりわけ、スイッチモード電源は、変圧器がエネルギ貯蔵及びフリーホイール要素として作用するフライバックコンバータであってもよい。代替的に、変圧器は、巻線比に従って電圧又は電流を変えるよう用いられてもよい。

本発明はまた、
上述したドライバ回路を備えるデバイス、及び
該デバイスによって駆動されるＬＥＤ照明ユニット、
を有する、ＬＥＤ照明モジュールも提供する。

照明モジュールは、ＲＦアンテナによって受信された無線コマンドに応じてＬＥＤ照明ユニットの出力をコンフィギュレーションするためのコンフィギュレーション回路を有してもよい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載する実施形態を参照して明らかになるであろう。

以下、本発明の例が、添付の図面を参照してより詳細に述べられる。
アンテナシールディングを提供するための既知のアプローチを示す。 本発明の一例による電気デバイスを示す。 第１のプロダクトデザイン及びその結果生じるアンテナ周囲の電磁界分布を示す。 第２のプロダクトデザイン及びその結果生じるアンテナ周囲の電磁界分布を示す。 本発明によるプロダクトデザイン及びその結果生じるアンテナ周囲の電磁界分布を示す。 アンテナからの垂直距離の関数としての電磁界強度を示す。 アンテナに対する横方向距離の関数としての電磁界強度を示す。

本発明は、フェライトコアを備える変圧器及びＲＦアンテナを有する、電気デバイスを提供する。アンテナは、アンテナの表面に沿う又は周りの（すなわち、アンテナの平面内又はアンテナを規定する曲面の周りの）最大寸法を含み、アンテナは、フェライトコアの最も近い部分から前記最大寸法未満だけ離間されている。このデザインは、アンテナをデバイスの他の部分から絶縁するために既存の変圧器（すなわち、その機能のためデバイスで既に必要とされている変圧器）のフェライトコアを利用する。これは、デバイスのこれら部分がアンテナの性能、特に受信範囲に及ぼす影響を低減するのに役立つ。

図1は、アンテナシールディングを提供するための既知のアプローチを示す。これは、電気部品が金属ハウジング12内に配置される電気デバイス10を示す。このハウジングはヒートシンクとして機能する。このデバイスは、遠隔無線読み取り及び書き込みトランスポンダ16と無線通信するためのアンテナ14を持つ。アンテナ14は、例えば非金属製のカバーの後ろのデバイスの外面に近接しているか、又はハウジングが、アンテナが取り付けられる端部で開いていてもよい。アンテナの背後には、アンテナを遮蔽するためのフェライト材料のシート18が設けられており、それにより周囲の金属部品からアンテナを隔離する。

図2は、本発明の一例によるデバイスを示す。デバイス20は、フェライトコア24を備える変圧器22を有する。図示の例では、フェライトコア24は、コイル構成(coil arrangement)を取り囲み、フェライトコアの外面は、コイル構成がなく剥き出しである。斯くして、コイル構成は、フェライトコアの開口部の内部にあり、フェライトコアのアンテナに面する外面は、トランスコイルがその背後にある平面である。RFアンテナ14は、アンテナの表面に沿う最大寸法mを有し、アンテナはフェライトコアの最も近い部分から最大寸法未満の間隔sだけ離間される。

このデバイスは、ヒートシンクとして機能する外部ハウジング12を有する。他の様々な電気的及び電子的部品26が、ハウジング12内に配置され、例えば、共有プリント回路基板28によって担持される。

電気部品26は、例えば、変圧器と共に、駆動回路のスイッチモード電源を形成する回路部品を有する。この場合、部品は、例えば、駆動回路によって駆動されるLED構成(LED arrangement)を含む。

コンフィギュラブルな照明デバイスの例では、部品はまた、RFアンテナによって受信された無線コマンドに応じて照明デバイスの出力をコンフィギュレーションするためのコンフィギュレーション回路を含む。

図2は、回路基板の平面図を示す。アンテナ14は、ボード上に直立して配置される。平面アンテナの場合、当該アンテナは、プリント回路基板28の平面に垂直な平面を持つ。フェライトコア24はまた、プリント回路基板に垂直な寸法、すなわち、基板に対する高さを持つ。好ましくは、フェライトコアの垂直高さは、プリント回路基板に対するアンテナの高さの少なくとも半分である。

フェライトコア24の剥き出しの外面は、例えば、アンテナに面する側面を持つ。この側面は、アンテナの平面に垂直な（又はアンテナが平坦でない場合はアンテナの全般的な平面(general plane)に垂直な）平面内に延びてもよい。この側面の面積は、好ましくは、アンテナの面積以上である。例えば、フェライトコアは、該して直方体の外面を有してもよく、側面は、直方体の外面のうちの1つである。この側面は、直方体の2つのタイプの（すなわち、プリント回路基板に平行な上部と下部を除く）外面のうち大きい方でよいが、必須ではない。

フェライトコアはまた、直方体である必要はなく、アンテナに向かって平坦な表面を与える必要もない。

アンテナは、メインPCBに垂直に配置される必要もない。アンテナは、角度をなして配置されてもよく、又は図2の例のように縁部ではなく、リーダがメインPCB上に位置付けられるべく構成されるようにPCBに印刷されてもよい。

さらに、アンテナは平面である必要はないが、これは、最もコストの低い解決策である可能性が高い。アンテナは、曲面上に画定されてもよい。例えば、アンテナは可撓性であって、円筒状ハウジングの内面等の曲面に取り付けるためのものであってもよい。アンテナは、非平面に取り付けられ得るフィルム印刷された可撓性構造であってもよい。円筒状プロダクトの一例は、円柱状のスポット照明である。

この場合、図2に示される間隔sは、アンテナの任意のポイントとトランスコアとの間の最短距離として定義されてもよい。

アンテナは、例えばプリント回路基板のトラックに基づく平坦なトラック構成を有してもよいが、それに代えて、ガラスワイヤ等のワイヤ構成を有してもよい。

アンテナは、矩形又は正方形であってもよく、アンテナの最大寸法は、その対角線の長さと見なしてもよい。それに代えて、アンテナは、円形又は楕円形であってもよく、この場合、最大寸法は、最長の径と見なしてもよい。

本発明は、範囲の減少が通信システムの機能性に重大な影響を及ぼし得る、近距離無線通信アンテナにとってとりわけ重要である。例えば、近距離無線通信アンテナは、アンテナの最大寸法の10倍未満、例えばアンテナの最大寸法の5倍未満、ましてはアンテナの最大寸法のわずか約2倍の最大通信範囲を有するアンテナであると解されてもよい。

遮蔽の効果はモデル化されている。

図3は、他の干渉部分がないアンテナ14及び読取デバイス16を示す。下部は、アンテナ14の周囲の電磁界分布を示している。特定のアンテナ設計及びRF ICについて、最大読み取り距離は約3cmである。アンテナから1cmである所与のポイント30の電磁界強度は、使用されたモデルによって7.27A / mであると決定される。

アンテナが、図4に示されるようにヒートシンクハウジング12に関連する回路の一部として形成される場合、最大読み取り距離は約2cmに低下する。所与のポイント30の電磁界強度は、6.35A / mに低下する。

図5は、アンテナの背後にトランスコア24を配置する効果を示す。最大読み取り距離は、約3cmに戻るよう増加する。所与のポイント30の電磁界強度は、13.56A / mに増加する。

図3乃至図5の例において、NFCタグは、10mm×10mmの寸法を持つ。図5において、フェライトコアはPC40フェライト材料であり、変圧器はアンテナの1mm背後に位置するEF20変圧器である。

平面図での変圧器のサイズは47 mm x 34 mmであり、フェライトコアは20 x 20 x 6 mmである。斯くして、この例において、フェライトコアは、プリント回路基板上方に6mmの高さを持ち、アンテナは、10mmの高さを持つ。アンテナの面積は100mm²であり、フェライトコアのアンテナに面する側の面積は120mm²である。

間隔sの効果は、図6を参照して説明される。図6において、プロット61は、離間距離sの関数としての平均電磁界強度を示し、離間距離は、アンテナの平面に対して垂直である。電磁界強度は、（43mm × 52mmの寸法の）試験ボード60を使用して、アンテナから3cmの距離で測定されている。プロット62は、フェライトは存在しないがハウジング及び他の部品は同じである場合の磁場強度を示す。

図6にプロットされているように、フェライトトランスコアとアンテナ間の間隔が1mmから20mmに増やされる場合、電磁界の平均強度は、フェライトが無い場合よりもはるかに高い値から始まり、徐々に減少して行き、フェライトが無い場合よりもわずかに高く安定する傾向がある。これは、変圧器がかなりの範囲の位置にわたってNFC性能を高めることができるが、とりわけ、最小間隔がアンテナの最大寸法（この例では14mmの対角距離）よりも小さい場合にNFC性能を高めることができることを示している。これは、間隔が減少するにつれて、得られる利益が増加することを示し、好ましくは、間隔が最大寸法の90％未満、より好ましくは80％未満、より好ましくは70％未満、さらには60%未満でも好ましい。

アンテナとフェライトコアとの間の横方向のアライメントも性能に影響する。図7は、間隔sは1mmに維持されている状態での、（図7に示されるような）中央に位置合わせされた位置からの横方向オフセットd1の関数としての平均電磁界強度のプロットを示す。

1mmのギャップにおいて、電磁場の強さは、アンテナとフェライトとの間の水平距離が0mmから15mmまで増加して行く場合、最初に増加し、次いで減少する。

アライメント位置の関数としての性能は、異なるアプリケーション毎に異なる。図7は、シミュレートされた例のため、最適な位置決めが（おそらくは驚くべきことに）アンテナ14の中心がフェライトコアの中心に位置合わせされている場合ではないことを示している。図7において、フェライトコアは、アンテナよりも横方向の幅が大きい。d1が0mmから9mmに増加する場合、一方の側で得られる金属隔離(metal isolation)によって生じる全体的な遮蔽効果は他方の側における減少よりも急速に増加し、ゆえに、総合的な磁界強度は増加する。9mmを超えると、金属隔離効果が弱くなる。

図7のy軸は、0.24と0.3の値の間にだけ延びていることに留意されたい。斯くして、性能は、位置決め(positioning)には非常にセンシティブではない。変圧器は、アンテナコイルの横側に置かれてもよい。図示のように、最適なアライメント位置は中心ではないかもしれず、これは、特定のプロダクトデザインに依存するであろう。最適なアライメントのポイントからの逸脱は、性能の低下が限られる場合許容されることができる。

変圧器は、自身のフェライト磁心のために読み取り距離を改善する。周囲の金属材料は渦電流効果をもたらす。変圧器コイルの電流が時間の経過とともに変化する場合、電磁誘導によって近傍の金属部品に誘導電流が発生し、斯くして、アンテナの空間的な電磁界分布に影響を及ぼす。コアのフェライト材料は渦電流効果を弱め、それにより読取り距離を改善する。

上記のようにトランスをアンテナの近くに配置することにより、アンテナは、周囲の金属部品を隔離するために追加のフェライトシートを最早必要としないであろう。

本発明は、変圧器及びRFアンテナを含む任意のデバイスにとって重要である。変圧器は、電源又は電力変換構成の一部として回路で広く使用されている。例えば、LED回路等の固体照明回路は、しばしば、スイッチモード電源の一部として変圧器を含む。

斯くして、本発明は、LEDエレクトロニクス、LEDモジュール及び照明器具にとって重要である。このようなモジュール及び照明器具が無線制御を組み込むが、小さな内部空間が望ましい場合、本発明は、部品の数を減らし、したがって必要なスペースを削減することを可能にする。

しかしながら、本発明は、変圧器とRFアンテナの両方を含む他のデバイスに適用されてもよい。

本発明は、近距離無線通信デバイスにとってとりわけ重要であるが、同じアプローチが広くRFアンテナで採用されてもよい。

開示された実施例に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の研究から、特許請求の範囲に記載の発明を実施する際の当業者によって理解され達成され得る。特許請求の範囲において、「有する」なる語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形の記載は複数の要素又はステップを除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. フェライトコアを備える変圧器、及び
   近距離無線通信（ＮＦＣ）アンテナ、
   を有する電気デバイスであって、
   前記近距離無線通信アンテナは、前記変圧器から電気的に絶縁され、
   前記近距離無線通信アンテナの表面に沿った前記近距離無線通信アンテナの幾何学的寸法は、最大寸法を含み、前記近距離無線通信アンテナは、前記フェライトコアの最も近い部分から前記最大寸法未満だけ空間的に離間されていて、
   前記近距離無線通信アンテナは矩形アンテナを含み、前記最大寸法はその対角線の長さであり、又は前記近距離無線通信アンテナは円形若しくは楕円形アンテナを含み、前記最大寸法はその最大径である、電気デバイス。
2. 前記近距離無線通信アンテナは、前記フェライトコアの最も近い部分から、前記最大寸法の９０％未満、より好ましくは８０％未満、より好ましくは７０％未満、さらにより好ましくは６０％未満だけ離間され、
   前記変圧器の前記フェライトコアは、
   前記変圧器によって行われる電気的変圧のための磁束を伝導する、及び
   前記アンテナを当該電気デバイスの他の部分から絶縁する、
   よう構成される、請求項１に記載の電気デバイス。
3. 前記近距離無線通信アンテナは平面アンテナを含み、前記近距離無線通信アンテナは、前記近距離無線通信アンテナの前記平面に直交する方向に、前記フェライトコアの最も近い部分から前記最大寸法未満だけ離間されている、請求項１に記載の電気デバイス。
4. 前記近距離無線通信アンテナは、前記最大寸法の１０倍未満の最大範囲を有する近距離無線通信アンテナを含む、請求項１に記載の電気デバイス。
5. 前記近距離無線通信アンテナは、ＮＦＣトランスポンダタグ又はＮＦＣリーダ／ライタの一部である、請求項４に記載の電気デバイス。
6. 前記フェライトコアは、より大きな面のうちの一つが前記近距離無線通信アンテナに面する直方体を含み、前記フェライトコアの前記より大きい面の面積は、前記近距離無線通信アンテナの面積より大きい、請求項１に記載の電気デバイス。
7. 当該電気デバイスはヒートシンク等の金属体を有し、前記近距離無線通信アンテナは、前記金属体の近くに配置されている、請求項１に記載の電気デバイス。
8. 当該電気デバイスは前記ヒートシンクとして用いられるハウジングを有し、前記近距離無線通信アンテナは、前記ハウジングの内部に配置されている、請求項７に記載の電気デバイス。
9. 前記フェライトコアの前記最も近い部分は、前記変圧器の巻線コイルがなく剥き出しある、請求項１に記載の電気デバイス。
10. 当該電気デバイスはドライバ回路を含み、前記変圧器は、前記ドライバ回路の一部である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気デバイス。
11. 前記ドライバ回路はスイッチモード電源を含み、前記変圧器は、前記スイッチモード電源のエネルギ転流要素として用いられるよう構成される、請求項１０に記載の電気デバイス。
12. 前記ドライバ回路はＬＥＤドライバを含む、請求項１１に記載の電気デバイス。
13. 請求項１２に記載の電気デバイス、及び
    前記電気デバイスにより駆動されるＬＥＤ照明ユニット、
    を有する、ＬＥＤ照明モジュール。
14. 前記近距離無線通信アンテナによって受信された無線コマンドに応じて前記ＬＥＤ照明ユニットの出力をコンフィグレーションするためのコンフィグレーション回路を有する、請求項１３に記載のＬＥＤ照明モジュール。

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