JP7085850B2 - アンテナモジュールおよび伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、無線電力伝送と無線通信を行うための技術に関する。
ロボットハンドやネットワークカメラ等の機器の旋回可動部には、電力およびデータを伝送するワイヤーハーネスなどを実装することができる。また、旋回によりケーブルが摩耗するという問題や、旋回可能な範囲に限界があるという機能的な制約を解消するために、機器の旋回可動部において、無線で電力およびデータを伝送する構成も考えられている。一方で、そのような機器においては、電力およびデータを伝送するためのモジュールを実装するスペースに制約があり、モジュールを小型化することが好ましい。特許文献1では、データ伝送用の通信カプラと電力伝送用の電力伝送アンテナを一体化したアンテナモジュールの構成が提案されている。
特開2014-96612号公報
特許文献1に記載されているアンテナモジュールを用いる場合、通信回路および電源回路から発生する高調波ノイズなど、機器内部の他のユニットから発生するノイズがアンテナモジュールに影響することで、データ通信の速度が低下する虞がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、無線通信と無線電力伝送を行うためのアンテナモジュールに対するノイズの影響を低減することを目的とする。
上記目的を達成するための一手段として、本発明のアンテナモジュールは以下の構成を有する。すなわち、円筒形状の回路基板と、前記回路基板に設置された輪形状又は弧形状の通信カプラであって、他の通信カプラとの間で電磁界結合により無線でデータを通信するための通信カプラと、前記回路基板に設置され輪形状の電力伝送コイルであって、他の電力伝送コイルとの間で電磁界結合により無線で電力を伝送するための電力伝送コイルと、前記回路基板に設置された導体板であって、前記回路基板に垂直な方向の視点において前記通信カプラの少なくとも一部に重なる導体板と、を有し、前記通信カプラと前記電力伝送コイルは、前記回路基板の内周面又は外周面に設置される
本発明によれば、無線通信と無線電力伝送を行うためのアンテナモジュールに対するノイズの影響を低減することができる。
伝送システム10の構成ブロック図である。 送信カプラ110に入力される入力信号と受信カプラ110により出力される出力信号の信号波形を示した図である。 第1実施形態におけるアンテナ基板30の構成を示す。 シールド部材が実装された受信カプラと、シールド部材が実装されない受信カプラに混入するノイズレベルのシミュレーション結果を示す。 (a)は、第1実施形態におけるアンテナ基板30を用いた場合の電力伝送効率のシミュレーション結果を示し、(b)は、シールド部材が実装されていないアンテナ基板を用いた場合の電力伝送効率のシミュレーション結果を示す。 第2実施形態におけるアンテナ基板60の構成を示す。 第1実施形態におけるアンテナ基板30を用いた場合の電力伝送効率のシミュレーション結果を示す。 スリット入りシールド部材が実装された受信カプラと、シールド部材が実装されない受信カプラに混入するノイズレベルのシミュレーション結果を示す。 アンテナ基板の他の形態を示す。
[システム構成]
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図1は、実施形態における伝送システム10の構成ブロック図を示したものである。伝送システム10は、磁界結合を用いた電力伝送機構11、電磁界結合を用いた通信機構12、電源101、および負荷106から構成される。以下の実施形態において、電磁界結合には、電界結合と磁界結合の両方が含まれる。すなわち、通信機構12による無線通信は電界結合によって行われてもよいし、磁界結合によって行われてもよいし、電界と磁界の両方の結合によって行われてもよい。また、磁界結合には電磁誘導方式や磁界共鳴方式などの種々の方式が含まれる。伝送システム10において、送信機/受信機の観点からみると、電源101、送信回路107、送電回路102、差動伝送路108、送電アンテナ103、および送信カプラ110から送信機が構成される。また、負荷106、受信回路112、受電回路105、差動伝送路111、受電アンテナ104、および、受信カプラ110から受信機が構成される。
電力伝送機構11は、送電回路102、送電アンテナ103、受電アンテナ104、受電回路105から構成される。送電回路102、送電アンテナ103、受電アンテナ104、受電回路105は、電磁誘導や磁界共鳴方式を採用した際に用いられる公知の構成を有する。具体的には、送電回路102は、インバータ回路とスイッチ部を有し、電源101から供給された直流電圧を、インバータ回路を用いて送電に適した周波数の交流電圧へ変換し、スイッチ部を介して送電アンテナ103へ出力する。すなわち、送電回路102は、直流を交流へ変換し、送電アンテナ103により交流磁界を生成する。受電アンテナ104は、送電アンテナ103により生成された交流磁界を介して受電する。受電回路105は、整流回路と電圧変換回路を有し、整流回路を用いて交流を直流へ変換し、電圧変換回路を用いて負荷106および受信回路112に応じた電圧へ変換し、負荷106と受信回路112へ直流電力を供給する。
通信機構12は、送信回路107、差動伝送路108、送信カプラ110、受信カプラ110、差動伝送路111、および受信回路112から構成される。送信回路107は、互いに逆位相の差動信号(差動データ信号)を生成し、差動伝送路108に出力する。具体的には、送信回路107は、差動ドライバを有し、当該差動ドライバを用いて、“1”、“0”を示す2値のディジタル信号を差動データ信号として生成する。ここでは便宜上、差動データ信号の一方を正極、他方を負極と呼び、差動データ信号の正極と負極とが、差動伝送路108の一方と他方上で、送信カプラ110に対して伝送される。なお、差動データ信号の正極と負極は、位相以外は電気的に等価であり、極性の付け方はそれぞれのシステムによって異なる。差動伝送路108は、送信回路107から出力された差動データ信号を伝送する。差動伝送路108は、例えば、基板やフレキで形成されるコプレーナ線路やマイクロストリップ線路であっても良いし、同軸ケーブルであっても良い。
送信カプラ110は、内側の送信カプラと外側の送信カプラから構成され、送信回路107により生成された差動データ信号の正極と負極はそれぞれ、内側の送信カプラと外側の送信カプラに接続される。送信カプラ110と受信カプラ110は、同心円状に構成され、主に電界成分で結合している。送信カプラ110に差動データ信号が入力されると、電磁界結合により、差動データ信号の信号電圧に応じて受信カプラ110に電圧が生じる。受信カプラ110には、差動伝送路111が接続されている。差動伝送路111は、受信カプラ110に生じた信号電圧を受信回路112へ伝送する。受信回路112は、送信カプラ110と受信カプラ110を通過することで劣化した差動データ信号を送信回路107が出力した信号波形に近い形に整形する。
なお、図1では、送信カプラ110と送電アンテナ103の配置として、送信カプラを外側、送電アンテナ103を内側に図示しているが、逆でも構わない。受信カプラ110と受電アンテナ104も同様である。
また、図1では、送信カプラ110と送電アンテナ103は1つの基板上に構成されたものを図示しているが、それぞれ別の基板上に構成されていても構わない。受信カプラ110と受電アンテナ104も同様である。さらに、基板は、一般的なFR4基板でも良いし、フッ素等を用いた低誘電部材の基板でも良い。
また、図1では、片方向通信の通信部107について図示しているが、通信路を追加し、双方向通信として構成してもよい。その場合、送電側(図1の左側)のアンテナ基板には送信カプラと受信カプラと送電アンテナが配置され、受電側(図1の右側)のアンテナ基板には送信カプラと受信カプラと受電アンテナが配置される。そして、送信回路107と受信回路112は、ともに送受信回路となり、それぞれの回路は送信カプラと受信カプラと差動伝送路を介して接続される。なお、同一のカプラを送信カプラと受信カプラのどちらとしても利用できるように回路構成を切り替え可能であってもよい。
図2は、送信回路107が出力し送信カプラ110に入力される入力信号Viと、入力信号Viが入力された場合に、電磁界結合により受信カプラ110より出力される出力信号Voの、UI(Unit Interval)毎の信号波形を示したものである。上述したように、送信回路107は差動ドライバを用いて、 “1”、“0”を示す2値のディジタル信号を差動データ信号として生成し、差動伝送路108へ出力する。この際、送信回路107内の差動ドライバの出力インピーダンスをZoとする。出力インピーダンスZoは、例えば、100Ω程度に設定される。差動伝送路108は、送信回路107により出力された差動データ信号を伝送し、入力信号Viとして送信カプラ110へ出力する。この際、差動伝送路108は、送信回路107の出力インピーダンスZoに近い特性インピーダンスで調整されることが望ましい。
ここで、電磁界結合により出力される出力信号Voが図2で示すような形状となる理由について説明する。送信カプラ110から受信カプラ110への伝達特性は、一般的に、低域で結合度が低く、高域で結合度が高くなる特性を持つ。つまり、伝達特性は、HPF(High Pass Filter)に似た特性を有する。そのため、高周波成分が伝達され、図示するように、出力信号Voは、入力信号Viを不完全微分したような波形となる。
差動伝送路111は、受信カプラ110が出力する出力信号Voを伝達し、受信回路112に出力する。この際、差動伝送路111もまた差動伝送路108と同様に、送信回路107の出力インピーダンスZoに近い特性インピーダンスで調整されることが望ましい。
出力信号Voが入力された受信回路112は、出力信号Voに対して信号整形することにより、送信回路107により出力された “1”、“0”を示す2値のディジタル信号を復元する。信号整形は、例えば、周知のヒステリシスコンパレータ等によって実現することができる。この際、受信回路112は、送信回路107の出力インピーダンスZoに近い終端抵抗で終端されることが望ましい。以上の構成及び動作により電磁界結合にてデータ伝送が達成される。
なお、上記の説明では、送信カプラ110と受信カプラ110との間で変調処理や復調処理を必要としないベースバンド信号である電気信号(すなわち、送信回路107により生成された差動データ信号)が送受信される場合について説明した。ベースバンド信号を用いる場合は、電気信号の変調処理や復調を必要としないため、回路規模を小さくすることができる。ただし、これに限らず、例えば、送信カプラ110から受信カプラ110へ送信される搬送波を、送信回路107により生成される電気信号により変調を行うことにより、変調信号を用いた搬送波通信を行ってもよい。
[第1実施形態:混入ノイズを抑制するアンテナ基板構成]
図1に示した伝送システム10をネットワークカメラ等の旋回可動部に実装する場合、実装スペースの制約は非常に大きい。そのため、電力伝送アンテナ(図1では送電アンテナ103と受電アンテナ104)と通信カプラ(図1では送信カプラ110と受信カプラ110)とを同一平面上に配置したアンテナ・カプラ一体基板(以下、アンテナ基板またはアンテナモジュールと呼ぶ)と回路基板を、小型化かつ薄型に構成することが求められる。さらに、アンテナ基板と回路基板との近接化も求められる。
そこで、通信カプラの近傍に板状の導体部材であるシールド部材を実装することを提案する。当該導体部材は、基板に垂直な所定方向の視点において当該通信カプラの少なくとも一部に重なるように実装される。図3に、第1実施形態におけるアンテナ基板30の構成を示す。アンテナ基板30は、送信カプラ301、受信カプラ302、電力伝送アンテナ303、シールド部材(シールドパターン)304から構成され、基板における送信カプラ301と受信カプラ302の裏側にシールド部材304が実装されている。また、送信カプラ301と受信カプラ302と電力伝送アンテナ303は、アンテナ基板において同心円状に配置されている。アンテナ基板30は送信カプラ301と受信カプラ302を両方備えているため、このようなアンテナ基板30を図1に示すように2つ対向させることで、双方向通信が可能となる。また、対向させる2つのアンテナ基板30それぞれが備える電力伝送アンテナ303は、一方が送電アンテナとして機能し、他方が受電アンテナとして機能する。ただし、アンテナモジュールの構成はここに示すものに限定されない。例えば、一方のアンテナモジュールに送信カプラ301と電力伝送アンテナ303が配置され、他方のアンテナモジュールに受信カプラ302と電力伝送アンテナ303が配置され、単方向の通信と電力伝送とが行われてもよい。また、図3においては、差動方式で通信可能なように、送信カプラ301と受信カプラ302がそれぞれ1対の電極で構成されているが、これに限らず、送信カプラ301と受信カプラ302がそれぞれ1つの電極で構成され、シングルエンド通信が行われてもよい。また、図3では、通信カプラと電力伝送アンテナとシールド部材とが1つの基板上に構成されたものを図示しているが、これらのうちの少なくとも1つが別の基板上に構成されていても構わない。
図示されるように、シールド部材304が実装されることにより、送信カプラ301と受信カプラ302による通信に混入するノイズ(送信回路107、受信回路112、および電源101から発生する高調波ノイズや、製品内部の他のユニットから発生するノイズ等)を軽減することが可能となる。なお、図3においては、基板に垂直な方向から見て送信カプラ301と受信カプラ302の両方に重なるようにシールド部材304が配置されているが、これに限らず、何れか一方のカプラにのみ重なるようにシールド部材304が配置されてもよい。ただし、一般的には送信カプラと比較して受信カプラの方がノイズの影響を大きく受けることを考慮すると、少なくとも受信カプラに重なるようにシールド部材を実装することでノイズの影響をより適切に低減することが可能となる。また、シールド部材304は、基板に垂直な方向から見て送信カプラ301及び/又は受信カプラ302の一部分にのみ重なるように配置されてもよい。また、対向する2つのアンテナモジュールの一方にのみシールド部材304が実装されてもよい。
図4に、シールド部材が実装された受信カプラによる通信と、シールド部材が実装されない受信カプラによる通信に混入するノイズレベルのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数(Freq[MHz])、縦軸はノイズレベル(noize level[dB])を示す。なお、本シミュレーションでは、ノイズ源として、受信カプラと近接した回路基板から発生される高調波が設定されている。また、図4の横軸に示す周波数の範囲は、電磁界結合による通信で主に使用する0.1~100MHzとしている。
図4において、特性401はシールド部材が実装されない受信カプラによる通信に混入するノイズレベルの特性、特性402はシールド部材が実装された受信カプラによる通信に混入するノイズレベルの特性が示されている。図4から分かるように、100MHzまでの周波数帯域において特性401と特性402とを比較すると、シールド部材が実装されている場合の特性402の方が、特性401と比較して、ノイズレベルが低いことがわかる。すなわち、シールド部材をアンテナ基板に実装することにより、ノイズ抑制効果が得られる。
次に、図3に示すアンテナ基板30を互いに向かい合わせで配置し、電力伝送を行った際の電力伝送効率のシミュレーション結果を図5(a)に示す。また、比較対象として、シールド部材が実装されていないアンテナ基板を互いに向かい合わせで配置し、電力伝送を行った際の電力伝送効率のシミュレーション結果を図5(b)に示す。図5(a)と図5(b)ともに、横軸は周波数(Freq[MHz])、縦軸は送受電アンテナ間の透過係数(S21[dB])を示す。ここでは、電力伝送用の交流電力の周波数が4MHzである場合に注目する。
図5(a)において、シールド部材が実装されている場合の4MHzにおける透過係数は-0.323dBである。透過係数-0.323dBを電力伝送効率に換算すると92.8%となる。一方、図5(b)において、シールド部材が実装されていない場合の4MHzにおける透過係数は-0.14dBである。透過係数-0.14dBを電力伝送効率に換算すると96.7%である。このように、シールド部材が実装されている場合の電力伝送効率(92.8%)は、シールド部材が実装されていない場合の電力伝送効率(96.7%)より低い。そこで、シールド部材を実装することによる電力伝送効率の低下を抑制するために、シールド部材を電力伝送用のアンテナから十分距離を離すことで、シールド部材が電力伝送に影響を及ぼさないようにしてもよい。
[第2実施形態:混入ノイズの抑制と高効率な電力伝送を実現するシールド構成]
第1実施形態に示したアンテナ基板30を用いる場合、シールド部材を電力伝送用のアンテナから十分距離を離すことにより、ノイズ抑制効果と併せて高い電力伝送効率を得ることが可能である。しかしながら、上述したように、ネットワークカメラ等の旋回可動部に実装する上ではスペースの制約が非常に大きいことを考慮すると、シールド部材を電力伝送用のアンテナから十分距離を離すことは難しい場合がある。
そこで、シールド部材を実装することによるノイズ抑制の効果を保ちつつ、電力伝送効率を維持することを可能にするアンテナ基板の構成を提案する。図6に、第2実施形態におけるアンテナ基板60の構成を示す。アンテナ基板60は、送信カプラ601、受信カプラ602、電力伝送アンテナ603、シールド部材604から構成され、基板における送信カプラ601と受信カプラ602の裏側にスリット入りのシールド部材604が実装されている。図示されるように、シールド部材604には、アンテナ基板の穿孔部にあたる内側からアンテナ基板の外側の方向(内周から外周方向)にスリットが構成され、シールド部材604のスリット以外の部分が、基板に垂直な方向から見て送信カプラ601と受信カプラ602に重なるように実装されている。スリットの幅は、例えば1mm程度である。また、図6では複数のスリットが存在するが、数に限定はなく、1つ以上存在すればよい。また、図6では、通信カプラと電力伝送アンテナとシールド部材とが1つの基板上に構成されたものを図示しているが、これらのうちの少なくとも1つが別の基板上に構成されていても構わない。
次に、図6に示すアンテナ基板60を互いに向かい合わせで配置し、電力伝送を行った際の電力伝送効率のシミュレーション結果を図7に示す。図7において、横軸は周波数(Freq[MHz])、縦軸は送受電アンテナ間の透過係数(S21[dB])を示す。なお、図4と同様に、電力伝送用の交流電力の周波数が4MHzである場合に着目する。図7において、スリット入りシールド部材が実装されている場合の4MHzにおける透過係数は-0.16dBである。透過係数-0.16dBを電力伝送効率に換算すると96.3%である。第1実施形態で説明したスリットがないシールド部材が実装されている場合(図5(a))の電力伝送効率は92.8%であったことから、シールド部材にスリットを入れることにより、電力伝送効率が改善されていることがわかる。
また、図8に、スリット入りシールド部材が実装された受信カプラによる通信と、シールド部材が実装されない受信カプラによる通信に混入するノイズレベルのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数(Freq[MHz])、縦軸はノイズレベル(noize level[dB])を示し、横軸に示す周波数の範囲は、電磁界結合による通信で主に使用する1~100MHzとしている。図8において、特性401はシールド部材が実装されない受信カプラによる通信に混入するノイズレベルの特性、特性801はスリット入りシールド部材が実装された受信カプラによる通信に混入するノイズレベルの特性が示されている。図8からわかるように、100MHzまでの周波数帯域において特性401と特性801とを比較すると、スリット入りシールド部材が実装されている場合の特性801の方が、ほぼ全ての周波数帯域において、特性401と比較してノイズレベルが低いことがわかる。すなわち、スリット入りシールド部材をアンテナ基板に実装することにより、広い周波数帯域において、ノイズ抑制効果が得られる。なお、本実施形態では、スリットの幅を1mm程度と想定して説明したが、シールド部材に磁界成分が流れなければ問題ないので、例えば0.1mm程度でも同様の効果が得られる。
[その他の実施形態]
上記の実施形態では、中心部が空洞のドーナツ形状のアンテナ基板について説明したが、中心部に空洞がない形状のアンテナ基板を用いてもよい。また、上記の実施形態では、ネットワークカメラやロボットハンドなどの旋回部にアンテナ基板を実装する場合の旋回時における通信及び電力伝送の安定性を高くするために、アンテナ基板を円形とする場合について説明した。ただしこれに限らず、正方形や長方形など他の形状のアンテナ基板を用いてもよい。また、上記の実施形態では、通信カプラ(送信カプラと受信カプラ)と電力伝送アンテナは、同心円状に構成される例を説明したが、通信カプラと電力伝送アンテナの基板上の配置はこれに限定されない。例えば、通信カプラと電力伝送アンテナは、アンテナ基板上で、同心部を任意の形状で囲むように配置されてもよい。
また、上記の実施形態では、同一平面上に、電力伝送アンテナと通信カプラとが配置された、平面状のアンテナ基板について説明した。しかしながら、電力伝送アンテナと通信カプラの配置は平面に限定されない。図9(a)と図9(b)に、アンテナ基板の他の形態を示す。図9(a)は、柱状部材(図では円筒部材)に巻き付けられた円筒形状のアンテナ基板を示している。電力伝送アンテナと通信カプラは、例えば当該円筒形状のアンテナ基板の内周又は外周に同心円状に配置される。なお、このとき、電力伝送アンテナと通信カプラが配置される基板は、フレキ基板のように、折り曲げ可能であることが望ましい。また、当該円筒形状のアンテナ基板においても、上記の実施形態のように通信カプラの裏側にシールド部材を配置することでノイズの影響を抑制可能である。さらに、シールド部材にスリットを設けることで、電力伝送の効率の低下を抑制できる。この場合のスリットは、例えば円筒形状のアンテナ基板の軸に平行な方向(柱状部材の側面に沿う方向)に構成され得る。
また、上記の実施形態で説明したシミュレーション(図4、図8)においては、ノイズ源として、通信カプラと近接した回路基板から発生される高調波を用いたが、通信カプラと近接した電化製品から発生する高調波などの他のノイズによる影響も上記の実施形態を適用することで抑制できる。
また、上記の実施形態では、図3と図6で示すように、通信カプラ(送信カプラ301、受信カプラ302、送信カプラ601、受信カプラ602)の一端がオープンになっているが、通信カプラそれぞれの特性インピーダンスで終端する構成としてもよい。また、上記の実施形態では、板状の導体部材であるシールド部材を例に説明したが、シールド部材の形状は上記の例に限定されない。アンテナ基板に混入するノイズを抑制可能な部材であれば、他の部材を用いてもよい。
101 電源、102 送電回路、103 送電アンテナ、104 受電アンテナ、105 受電回路、106 負荷、107 送信回路、108 差動伝送路、109 送信カプラ、110 受信カプラ、111 差動伝送路、112 受信回路

Claims (12)

  1. 円筒形状の回路基板と、
    前記回路基板に設置された輪形状又は弧形状の通信カプラであって、他の通信カプラとの間で電磁界結合により無線でデータを通信するための通信カプラと、
    前記回路基板に設置され輪形状の電力伝送コイルであって、他の電力伝送コイルとの間で電磁界結合により無線で電力を伝送するための電力伝送コイルと、
    前記回路基板に設置された導体板であって、前記回路基板に垂直な方向の視点において前記通信カプラの少なくとも一部に重なる導体板と、を有し、
    前記通信カプラと前記電力伝送コイルは、前記回路基板の内周面又は外周面に設置されることを特徴とするアンテナモジュール。
  2. 前記回路基板に設置された複数の導体板であって、それぞれの導体板が前記回路基板に垂直な方向の視点において前記通信カプラの異なる部分に重なる複数の導体板を更に有す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。
  3. 前記複数の導体板は、前記通信カプラの円周方向に、間隔をあけて並べて設置されることを特徴とする請求項2に記載のアンテナモジュール。
  4. 前記導体板は輪形状であり、
    前記通信カプラと前記導体板は同心円状に設置されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のアンテナモジュール。
  5. 前記導体板には、前記導体板の円周方向とは異なる方向のスリットが形成されることを特徴とする請求項4に記載のアンテナモジュール。
  6. 前記導体板には、前記導体板の円周方向と垂直な方向のスリットが形成されることを特徴とする請求項4に記載のアンテナモジュール。
  7. 前記通信カプラは、データを送信するための送信カプラとデータを受信するための受信カプラとを有することを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載のアンテナモジュール。
  8. 前記通信カプラと前記導体板は、前記回路基板の異なる面に設置されることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載のアンテナモジュール。
  9. 前記回路基板は、前記通信カプラと前記電力伝送コイルとが一体となった基板であって、
    前記アンテナモジュールは回転することを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載のアンテナモジュール。
  10. 送信機と受信機とを有する伝送システムであって、
    前記送信機は、請求項1に記載のアンテナモジュールである第1アンテナモジュールと、データを送信するための信号を前記第1アンテナモジュールに入力する送信回路とを有し、
    前記受信機は、請求項1に記載のアンテナモジュールである第2アンテナモジュールと、前記第2アンテナモジュールから出力される信号を受信する受信回路とを有することを特徴とする伝送システム。
  11. 前記送信回路は、前記第1アンテナモジュールへベースバンド信号を入力することを特徴とする請求項10に記載の伝送システム。
  12. 前記送信回路は、前記第1アンテナモジュールへ互いに逆位相の差動信号を入力することを特徴とする請求項10に記載の伝送システム。
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