JP7244812B1 - 受電アンテナ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2021年10月26日に出願された「受電アンテナ」と題する国際特許出願PCT/JP2021/039559号の優先権を主張し、その開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本開示は、ワイヤレス給電による電力を受電するための受電アンテナに関する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、受電アンテナは、第1の導電板と、第1の導電板に対向する第2の導電板と、第1の導電板の第1端部と、第1端部に対向する第2の導電板の第2端部とを接続するフィーダーと、第1端部の反対側の第1他端部と、第2端部の反対側の第2他端部とを接続する導電性部材と、を備える。
本実施形態に係るアンテナ1は、図1に示すように、長尺板状の第1導電板10aと、長尺板状の第2導電板10bとが互いに対向し、その一端部において、フィーダー11(整流器)を介して互いに接続されるとともに、導電性部材10c(ショートピン)により接続されてなる無線給電における受電側の装置に用いられるアンテナである。アンテナ1は、無線給電に係る920メガヘルツ帯にて利用されるアンテナであるが、使用する通信帯域は、920メガヘルツ帯に限定するものではなく、2.4ギガヘルツ、5.7ギガヘルツであってもよい。本明細書においては使用する通信帯域を920メガヘルツ帯として説明する。
第1導電板10aと第2導電板10bは、共に、長さL1、幅W1の平板状の薄板である。図1では、幅W1=15mm、長さL1=40mm、薄板間距離H1=10mmである場合を例に示している。
図12上図は、第1導電板10aと第2導電板10bの長さと幅を固定(例えば、L2=60mm、W2=30mm)し、H2を変動させていった場合のアンテナ1Aの放射効率の推移を示している。図12上図に示されるように、アンテナ1Aにおいて高さH2を長くしていくほど放射効率が高くなっていることが理解できる。ただ、図12上図に示されるように、高さH2が5mmを超えたあたりから、放射効率は横ばいになっていっており、10mm付近では大きな放射効率の向上は望めないことも理解できる。アンテナ1Aとしては、小型の装置にも搭載することを考慮すると、可能であればそのサイズは小さいことが望ましいと言える。そのため、サイズと放射効率との双方を考慮すると、高さH2は、5~10mm程度にするのがよいと言える。なお、この点は、図1のアンテナ1における高さH1についても同様のことが言える。
図17の右側のアンテナパターンは、図14に示す各アンテナを、天面(第1導電板10a側)から見て、上端にフィーダー11が位置するようにして測定したアンテナパターンを示している。即ち、θ=90°としたときのXY平面上のアンテナパターンを示している。天面から見たアンテナパターンは、図14に示す各アンテナのいずれの場合もほぼ真円に近い円を描くことがシミュレーションによりわかった。したがって、天面から見たアンテナパターンについては、いずれのアンテナにも大きな差異はないと言える。
図29は、図27に示すアンテナのアンテナパターン(指向性)を示す図である。図29に示すアンテナパターンは、図27に示すアンテナを天面から見たときのアンテナパターンを示しており、図示するようにいずれの場合も楕円形状をしており、大きな差異はないと言える。
したがって、図28、図29を総合すると、アンテナの第1導電板10aとPCBとは接着した方がよく、厚みは薄い方がよいと推察される。
図42は、図1に示すアンテナ1の各種周波数におけるZパラメータ、即ち、インピーダンスの変化を示す図である。図42は、実部と虚部のそれぞれの各周波数におけるシミュレーション結果を示している。図42において上側のグラフが実部の通信周波数に応じたZパラメータを示しており、下側のグラフが虚部の通信周波数に応じたZパラメータを示している。虚部の成分はリアクタンスとも呼称される。
このときに指定されたターゲット値を下回った場合、すなわちR値が低くなりすぎており、これを高くしたい場合には、低い周波数帯ではアンテナ長Lを長くし、高い周波数帯ではアンテナ長Lを短くすることでR値を調整することが可能である。アンテナの理想の長さは1/4波長であるが、これに対してアンテナ長を±20%程度調整することで理想的なマッチングに近づけることが可能となる。
受信を想定する電波の周波数帯を共振周波数とする長さ、すなわち例えば受信波長λの1/4の長さをアンテナの初期状態とした場合に、低い周波数でインピーダンスマッチングを行うことで、アンテナ長Lを初期状態から10~30%程度、好ましくは20%程度短くすることが可能となり、アンテナ全体の小型化を行うことが可能である。
以上、実施例1では、図1~図31、図42を参照して、様々な形態の受電アンテナ1、1A、1a~1hについて説明した。
次に、実施例2に係るアンテナ20について説明する。
以下、記載の重複を避けるため、実施例1に係るアンテナ1、1A、1a~1hとの重複部分については、その説明を割愛する。
即ち、実施例2に係るアンテナ20は、WPT(ワイヤレス電力伝送:Wireless Power Transmission又はWireless Power Transfer)に基づいて、3次元空間内でワイヤレスに送電されるエネルギーを受電する受電装置として用いることができる。
実施例2に係るアンテナ20は、受電したエネルギーを、センサ、ロボット、機器、PC等の任意の対象物に対して、エネルギーを送電することができる。
実施例2に係るアンテナ20は、アンテナ又はレクテナとして実装することができる。
実施例2に係るアンテナ20は、アンテナ又はレクテナと、関連する電子部品と一体化されたモジュール(アンテナ・モジュール等)として実装することができる。
実施例2に係るアンテナ20は、アンテナ又はレクテナと、関連する電子部品と、送電対象であるセンサ等と一体化されたモジュール(センサ・モジュール等)として実装することができる。
図32は、実施例2に係るアンテナの基本構成及び、その中に適用可能なコア材を示す図の例である。
図32(A)を参照すると、特に図11に例示した実施例1に係るアンテナ1A等と同様の方向から眺めたときの、実施例2に係るアンテナ20の斜視図が例示されている。
図32(B)を参照すると、反対側の方向から眺めたアンテナ20の斜視図が例示されている。これら図によって、実施例2に係るアンテナ20の基本構成が、全周囲から理解できるようになっている。
なお、実施例1に係る受電アンテナ1、1A、1a~1hでは、板厚を省略して、構造が概略的に例示されていた(例えば、図11及び図14(a)~(f)参照)。図32(A)、(B)では、アンテナ20の板厚についてより具体的に例示している。
実施態様に応じて、各寸法には適当な調整をすることができる。例えば、高さ方向の寸法H3を比較的小さく抑えて、全体として低姿勢にしてもよい。また、幅方向の寸法W3と長手方向の寸法L3との積から求められる面積を小さく抑えて、全体として設置面積を最小にしてもよい。
第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、銅、アルミ等、電流をよく流す任意の素材から構成されている。
従って、第1の導電板21、第3の導電板23、第2の導電板22及びフィーダー25により、閉じた電流の経路がつくられていて、図32(A)、(B)の矢印に例示するように、ループアンテナ50が形成されている。
好適には、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、それぞれ長尺板状に形成される。なお、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、長尺板状の四辺の長さや方向を様々に修正することは可能である。また、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、全体的又は部分的に、平ら状であってもよく、湾曲状であってもよく、それらの組み合わせであってもよい。
例示した実施例では、第3の導電板23は、第1の導電板21及び第2の導電板22に対して、略直交するようにつなげられている。しかしながら、以下に詳述するように、特にループアンテナ50の効率の観点から、第3導電板23の接続角度は90度に限定されない。
ただし、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、それぞれ個別の導電板により形成されて、互いに通電可能に接続されてもよい。
特に、アンテナ20は、ワイヤレス電力伝送に基づくアプリケーションへの適用に適している。無線センサネットワークでは、電力受信アンテナとデータ通信アンテナとが必要とされている。例えば、無線給電を利用したIoTのセンシングでは、無線給電用の帯域920MHzとデータ通信用の帯域2.4GHzの2つの帯域を同時に利用することが求められることがある。図32(A)、(B)に例示したアンテナは、これら2つのアンテナを提供することができるため、この分野への適用に適している。
例えば、図32(A)、(B)に例示したアンテナ20は、第1の導電板21と第2の導電板22とは、それぞれ、所定の幅方向の寸法W3と、所定の長手方向の寸法L3を有し、2次元方向に所定の面積A3を確保している。この面積A3を利用して、第1の導電板21の表面上に、電子回路等を搭載することを可能にしている。
電子回路の具体的な構成は、実施形態に応じて任意に選択することができる。例えば、電子回路は、受電回路、蓄電回路、センサ、蓄電装置、マイクロコントローラ(マイコン)を含むことができるが、これに限定されない。
以上、図32(A)、(B)を参照して、アンテナ20の基本構造について、概念的に例示した。
図34(A)、(B)の図では、特に、第1の導電板21の上方に配置される電子回路の層44(図33参照)についてより具体的に例示されている。
図32(A)、(B)に例示した構成と、図34(A)、(B)に例示した構成は、必ずしも厳密に対応しなくてもよい。例えば、電子回路の立体的な形状によっては、図33に例示したカバーレイ45は、部分的に省略することができる。また、電子回路は、第1の導電板21の上面だけでなく、第3の導電板23及び/又は第2の導電板22の一部を利用して配置されてもよい(図示略)。カバーレイ45等の説明については、後述される。
例えば、アンテナ20は、図32(A)に例示した長手方向の寸法L3について、凡そ、40mm付近~60mm付近の大きさを有することができる。
また、アンテナ20は、各導電板の板厚として、数mmの大きさ、又は5mm付近~8mm付近の大きさを有することができる。
ただし、アンテナ20の各寸法は、例示した数値範囲に限定されない。
デュアル・バンド・アンテナとしてアンテナ20を構成する場合、ループアンテナ50(例えば、920MHz)から電源電圧を受信し、逆F型アンテナ60(例えば、2.4GHz)からセンサによる取得データの電波送信を行うことが考えられる。この際、接続はワイヤーで行う必要がある。このように、アンテナ20の上にPCB(電子回路)を設ける場合、その厚みの分、高さ方向の寸法の増加が想定できる。
例えば、アンテナ20は、2層FPCを用いて構成されてもよい。このうち、第一層を920MHz帯アンテナ(ループアンテナ50)とし、第二層を整流回路、電源、センサ制御回路、無線通信回路、2.4GHz帯アンテナ(逆F型アンテナ60)として構成することができる。
PCB又はFPCを任意に用いることで、比較的に小型で、かつ低姿勢(高さを抑えた)アンテナ20を構成するのが好ましい。
実施例1では、図11等に例示したように、第1導電板10a、第2導電板10b及び第3導電板10cは、断面視で略コ字状に構成され、その内部を中空にしていた。このため、製品の重量、製品の部品点数、製品のコスト及び製品の加工の手間の抑制という観点からは長所があった。
実施例2においても同様に、図32(A)、(B)に例示したように、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、断面視で略コ字状に構成され、その内部を中空にすることができる。この場合、同様に、製品の重量等の抑制の他、ループアンテナ50の性能の確保の面で、利点がある。
そこで、実施例2では、さらに、2つの並行の導電板21、22間に誘電体から成る剛性のコア材30を挿入することで、製品の形状や強度の向上を図るとともに、波長短縮効果によるループアンテナ50の小型化を図っている。
例えば、図32(A)に例示したアンテナ20は、全体として略直方体に形成され、所定の幅方向の寸法W3、長手方向の寸法L3及び高さ方向の寸法H3を有している。
図32(C)に例示したコア材30は、同様に、その本体31を全体として略直方体に形成して、所定の幅方向の寸法W4、長手方向の寸法L4及び高さ方向の寸法H4を有している。
なお、コア材30の本体31は、アンテナ20の内部形状の全域にわたって設けられる必要はない。必要に応じて、アンテナ20の内部形状の一部にのみコア材30が充填されるようにしてもよい。
また、コア材30の本体31は、単一部品に限定されない。必要に応じて、2つ又は複数の部品から構成されていてもよい。
例えば、コア材30は、プラスチックを用いて構成することができる。プラスチックとは、誘電体の一種である。プラスチックは、可塑性のある有機高分子物質のことであり、合成樹脂と呼ばれることもある。プラスチックは、複雑な形に加工しやすく、かつコストが安い為、大量生産に有利な素材である。
他には、コア材30は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE;フッ素樹脂)を用いて構成することができる。例えば、コア材30は、テフロン(登録商標)を用いて構成することができる。
他には、コア材の素材はプラスチック、アクリル、ポリカーボネート、PTFE等に限定されず、高い誘電率を有する別の素材を用いることが可能である。
なお、テフロンは誘電損失が少ないため、他のコア材と比べてテフロンを用いると、放射効率が向上する。
さらに、アンテナ20の内部にコア材30を挿入することで、その誘電体の特性に基づいて、波長短縮効果によって、ループアンテナ50のサイズの小型化を図ることができる。ただし、アンテナ20の内部にコア材30を挿入すると、その物質による誘電損により、ループアンテナ50の電力受信効率が低下する可能性がある。
図33から理解できるように、第1の導電板21は、複数の層41~45から成る多層構造を有し、例えば2層FPCである。2層FPCとは、回路に用いる銅箔が2層という意味である。
なお、第1の導電板21の多層構造は、例示した5層に限定されない。これより少ない数又はこれより多い数の多層構造とすることは可能である。また、第2の導電板22と第3の導電板23についても多層構造とすることができるが、それらの構成は、第1の導電板21の場合とは相違させることができる。
例えば、第1の導電板21の一番下から2番目の層42は、導電層である。この導電層は、例えば銅箔で形成される。銅箔は、第1の導電板21を形成し、ループアンテナを構成するために用いられる。
例えば、第1の導電板21の一番下から4番目の層44は、導電層である。この導電層は、例えば銅箔で形成される。この銅箔により電子回路が形成され、若しくは、この銅薄に別に成型した電子回路やバッテリー、センサ等が導通される。また、この電子回路に接続される形で、層44の銅箔により逆Fアンテナ60を成型することができる。
例えば、第1の導電板21の一番下から5番目の層45は、カバーレイである。
なお、層42及び層44の材料は、銅に限られず、その他の導電性部材であってよい。
このように、FPCにより、導電板21、23、22と、逆Fアンテナ60と、回路を一体成型し、コア材に巻き付けてループアンテナ50と逆Fアンテナ60を有するデュアルアンテナを形成することで、本実施例のアンテナ20を容易に製造することができる。
また、2層FPCの層42の銅箔でループアンテナ50を形成し、層44の銅箔で逆Fアンテナ60を形成し、それぞれの間がポリイミドの層43で絶縁されているため、それぞれのアンテナが独立して駆動でき、それぞれのアンテナのパフォーマンスが維持されるように工夫している。
図43は、アンテナ20の電界のシミュレーション結果を示す図の例である。同図から理解できるように、導電板21と22の間に垂直方向の電界が生じる。ここで、ループアンテナ50は、保護層45によって外部環境から保護することができる。このため、図32(A)、(B)に例示したアンテナは、例えば、第1の導電板21を上とし、第2の導電板22を下にして配置された場合、その設置面の物質にかかわらず、ループアンテナ50の機能が損なわれることはない。上下を逆にした場合も同様である。
しかしながら、第1の導電板21の上に電子回路のパターンアンテナを構成する場合、その分、2次元方向に大きな面積をとることになる。
例えば、図34(A)、(B)は、図32に対応する実装である。これを参照すると、アンテナ20のうち、第3の導電板23に中空のスペース24を画定して、その中に逆F型アンテナ60を配置している。
いずれの場合であっても、アンテナ20の大きさを小型に保ちながら、第1の導電板21の上面に電子回路(PCB又はFPC)を設けることを可能にしている。特に、1つのFPCにアンテナを一体化する場合、アンテナ20の小型化、組立て工数軽減が可能になる。
図35は、アンテナの変更例及び、その中に適用可能なコア材を示す図の例である。
ループアンテナ50の形状は、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23から成る導電板の外部形状が基準となっている。図32(A)、(B)に例示した場合では、第1の導電板21と第2の導電板22とは互いに略平行に延在し、端部側で第3の導電板23によって略90度の角度でつなげられていた。ループアンテナの性能は、この形状によって影響を受け得る。
これに対して、図35(A)、(B)に例示した場合では、第1の導電板21と第2の導電板22とは、端部側で第3の導電板23によって90度よりも大きな角度で、かつより多い角を有するようにつなげられている。
従って、ループアンテナ50の形状は、図32(A)、(B)に例示した略四角形状から、図35(A)、(B)に例示した略八角形状へと変えられている。ループアンテナ50の形状を、より円形(又は楕円形)に近づけることで、意匠の幅を広げたり、アンテナの性能向上を期待することができる。
この際、第3の導電板23は、全体的に湾曲状(円弧状)に延在してもよい。又は、特に図34(A)、(B)に例示したように、第3の導電板23は、両端側で部分的に湾曲状に延在し、その中央では部分的にまっすぐに延在してもよい。
このように、実施形態に応じて、好適なループアンテナ50の性能が確保できるように、第3の導電板23は任意の形状を有することができる。例えば、第3の導電板23は、図32(A)、(B)に例示したように、全体的にまっすぐに延在してもよく、図34(A)、(B)に例示したように、全体的又は部分的に湾曲状に延在してもよく、図35(A)、(B)に例示したように、全体的に多角形状に延在してもよい。
例えば、図35(A)、(B)に例示した場合、第1導電板21、第2導電板22及び第3導電板23は全体で略八角形状を有している。この際、第3導電板23は、多段階に曲げ加工されている(符号26、27参照)。これに対応して、第1導電板21と第2導電板22とはそれぞれ端部を内側に向って折り返している(符号28、29参照)。
さらに、第1の導電板21、第2の導電板22及び第3の導電板23は、任意の場所に凸部又は凹部を設けるとともに、それと対応してコア材30の本体31に凹部又は凸部を設けることで、その場所でコア材を係止させるようにして、コア材の保持力を高めてもよい。
図36(A)~(D)は、図32(A)、(B)に例示した逆F型アンテナ60の変形例を示す。
図36(A)に例示するように、逆F型アンテナ60は、主に、給電線61、短絡線62及び本体部63から構成されている。給電線61、短絡線62及び本体部63は、それぞれ、太さ、長さ、位置、形状等について、実施形態に応じて調整可能となっている。
例えば、給電線61、短絡線62及び本体部63の太さを調整してもよい。
例えば、本体部63の長さを調整してもよい。
例えば、本体部63の高さを調整してもよい。
例えば、給電線61に対する短絡線62の相対的な位置を調整してもよい。
例えば、図36(A)に例示するように、逆F型アンテナ60は、本体部63を単純なライン状(モノポールアンテナ状)に構成することができる。
例えば、図36(B)に例示するように、逆F型アンテナ60は、本体部63を単純なライン状に構成する替わりに、図36(A)の状態からさらに内側に略90度で折り曲げるように構成することができる(符号64参照)。
例えば、図36(C)に例示するように、逆F型アンテナ60は、図36(B)の状態からさらに本体部63を内側に略90度で折り曲げるように構成することができる(符号65参照)。
このように、逆F型アンテナ60は、本体部63を様々な形状に調整することができる。その際、本体部63をまっすぐに延在させてもよく、一回又は複数回にわたって内側に折り曲げてもよく、一回又は複数回にわたって内側と外側とに折り曲げてもよい(例えば、メアンダ状に折り曲げる)。本体部63を折り曲げる角度は、90度に限定されない。
図34(A)、(B)、図36(A)~(C)等を参照すると、逆F型アンテナ60は、直方体のアンテナ形状の側面(第3の導電板23)に中空のスペース24を設け、その中に配置されている。
図36(D)等を参照すると、逆F型アンテナ60は、直方体のアンテナ形状の上面(第1の導電板21)に中空のスペース24を設け、その中に配置されている。
さらに、逆F型アンテナ60は、アンテナ20が直方体よりも側面の数が多い多面体形状に形成されるとき、その任意の面に同様に配置されてもよい。
なお、例示した実施形態では、中空のスペース24は、四角形状の枠の形状を有している。しかしながら、中空のスペース24は、その中に逆F型アンテナを取付けることができ、ループアンテナ50の特性を維持できれば、四角形状に限定されず、任意の形状を有することができる。
チップアンテナは、必要な周波数信号を送信・受信する機能を有するチップ型コンポーネントであって、特に、小型かつ薄型に構成することができる。
この場合、実施例2に係るアンテナ20は、ループアンテナ50とチップアンテナとを含むデュアル・バンド・アンテナとして構成することができる。
さらに、アンテナ20は、逆F型アンテナ60、チップアンテナの替わりに、他、同様の特性を有する任意の形状の他のアンテナを用いることも可能である。
例えば、図36(C)を参照すると、長さL3、幅W3、高さH3の各寸法を有する直方体のアンテナ形状の上面のほぼ全域(領域A3参照)が電子回路の設置面積として確保されている。この場合、A3の面積は、L3×W3として近似することができる。
例えば、アンテナ20は、図21に例示した実施例1に係るアンテナ1fと同様に、球状に構成することも可能である。
例えば、アンテナ20は、図24に例示した実施例1に係るアンテナ1fと同様に、柱状に構成することも可能である。
例えば、アンテナ20は、他、多面体形状、三角柱状、多角柱状、円柱状、楕円柱状等、任意の形状に構成することも可能である。
しかしながら、実施例2に係るアンテナ20の形状は、この形状に限定されない。
例えば、アンテナ20は、図14(e)に例示した実施例1に係るアンテナ1eと同様に、第1導電板10a及び/又は第2導電板10bにスロットを設けた構成にすることも可能である。
この際、図18に例示したように、第1導電板10aに設けられているスロットにより形成されるスロットアンテナ18d及び/又は第2導電板10bに設けられているスロットにより形成されるスロットアンテナ18eを備えることも可能である。
実施例2に係るアンテナ20は、デュアル・バンド・アンテナとして構成され、好適には、ループアンテナ50と逆F型アンテナ60とを含む。この場合、ループアンテナ50によって、第1の周波数(例えば920MHz)の電力受信アンテナを構成可能にするとともに、逆F型アンテナ60によって、第2の周波数(例えば2.4GHz)のデータ通信アンテナを構成可能にするのが好ましい。
さらに、実施例2に係るアンテナ20を、シングル・バンド・アンテナとして構成することも可能である。この場合、ループアンテナ50のみを含むようにアンテナ20を構成してもよい。
次に、図37、図38を参照して、上記アンテナ20を用いて、特にセンサに給電して、稼働させる実装例について説明する。
左側に点線で囲んだ送信機能を有する送信機70を示すとともに、右側に点線で囲んだ受信機能を有する受信機80を示している。送信機70と受信機80とは、互いに所定間隔で離間する。例えば、送信機70と受信機80とは、互いに約1mの距離で離間する。
なお、この例では、送受信間距離を1mとしたとき、1mW~3mW程度の充電、又は1mW~2mW程度の充電を想定している。しかしながら、この数値範囲は例示に過ぎない。
受信アンテナ81(例えば、アンテナ20のループアンテナ50)は、送信アンテナ72から外部に送信された給電用のマイクロ波を受信する。例えば、ループアンテナ50は、920MHz帯の電力受信アンテナとして機能することができる。整流器82(例えば、PCB又はFPCの一部)は、受信電波を整流し、整流電圧に変換する。電力管理部83(例えば、PCB又はFPCの一部)は、整流電圧に基づいて充電電圧を制御する。充電電圧により、例えば、PCB又はFPCの一部に実装されているバッテリーが充電される。
なお、センサ86は、PCB又はFPCの一部として回路整形されてもよい。あるいは、センサ86は、PCB又はFPCに外付けして接続されていてもよい。センサ86の種類は、任意であるが、例えば熱センサ、温度センサ、光センサ、湿度センサ、振動センサ、等を用いることができる。
なお、ワイヤレス給電(920MHz)のパワー(マイクロ波)は一方向に送られるのに対して、データ通信(2.4GHz)の電波は双方向に送られることが可能である。
アンテナ20は、金属面に設置して使用できる利点を生かしながら、2つの周波数帯域に対応することができる。従って、設置面の物質の制約を受けづらく、場所を選ばずに使用することが可能なため、特に、センサ・モジュールの小型化への対応を可能にしている。
図38は、図37に例示した使用状況下で、後述する図39で示す、2450MHz(2.45GHz)のデータ用アンテナと、918MHzの給電用アンテナを設ける図39で示す受信アンテナ20の電波効率のシミュレーション結果が例示されている。
図38では、横軸に周波数を示すとともに、縦軸に効率(1を100パーセントとする)を示している。図38の上方には、ループアンテナ50のシミュレーション結果が示され、下方に逆F型アンテナ60のシミュレーション結果が示されている。なお、このシミュレーション結果は、電力の送電元から、上記のように、アンテナ1までの距離を1mとして、理想的な状況下(エネルギの受電を遮る障害物がない状況下)での電磁界シミュレーション結果に相当する。
特に、FA(Factory Automation)への適用時には、センサ86の替わりに機器に対してアンテナ20を適用してもよい。さらには、ビルマネジメントへの適用も可能であって、その場合、社員証等、人体に近い場所に用いられる任意の部材に対してアンテナ20を適用してもよい。
さらに、送電のターゲットは、他、携帯電話、PDA(携帯情報端末)、ワイヤレス・マイク、ワイヤレスUSB、ワイヤレス・シアター、ワイヤレス・テレビ、ワイヤレス・カメラ、ワイヤレス・ヘッドフォン、ワイヤレス・マウス、ワイヤレス・キーボード、ワイヤレス・ルータ、ワイヤレス・プリンタ等でもよい。
図39は、アンテナを用いて、機器に配置されたセンサに給電する実装例を示す図である。
図39を参照すると、点線で示す機器90の一側面に対してアンテナ20を取付けて、機器90に設置されたセンサへの給電を可能にした場合が概念的に例示されている。この機器90は、図38に例示したセンサ86の替わりに用いることができる。
上述したように、アンテナ20のループアンテナ50は、アンテナ20の内側に形成されるため、設置面の物質によってアンテナの性能が損なわれないように工夫されている。このため、機器90の金属面に対して、直接、アンテナ20を取付けた場合であっても、ループアンテナ50は継続して機能することができる。
また、アンテナ20は、逆F型アンテナ60によって、第2の周波数(例えば2.45G)のデータ通信アンテナを構成している。例えば、逆F型アンテナ60によって、機器90に関する状態を示す情報や、センサにより計測された情報を外部に送信可能にしている。
図40(A)及び(B)は、図39における機器90のx軸の方向を上にし、yz面を下に配置した状態(すなわち図39の機器90をy軸周りに90度時計回りに回転させた状態)での、3次元空間内での各アンテナの受電状況についての、シミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーション結果は、電力の送電元から、アンテナ20までの距離を1mとして、理想的な状況下(エネルギの受電を遮る障害物がない状況下)での電磁界シミュレーション結果に相当する。
図40(A)では、色が濃くなる程(灰色から黒色に近づく程)受電状況が好適であることを示している。同図から理解できるように、ループアンテナ50は、導電板21、22、23により構成されるアンテナ20の全長に沿って、比較的偏りなく、エネルギーを受電できていることが確認された。
図40(B)では、同様に、色が濃くなる程(灰色から黒色に近づく程)受電状況が好適であることを示している。同図から理解できるように、逆F型アンテナ60は、アンテナ20の一端部側に偏って設けられているため、その全長の一端部側に偏っているものの、機器90の全域にわたってエネルギーを送受電できることが確認された。
なお、本シミュレーションで用いたアンテナの受電パワーの見積もりを行うと、電力送信出力1W、送電距離1mの条件においては、7.26mW、-21.39dB程度の給電が可能であり、バッテリーに対して3.5mW程度の充電が可能であることが推定できた。ただし、この数値は例示に過ぎず、限定的ではないことを理解されたい。
なお、ループアンテナ50単体と逆F型アンテナ60単体よりも、それらを組み合わせた本実施例のデュアル・バンドのアンテナの方が、以下の理由により受信効率が高まる場合がある。
・ループアンテナ50は、受電用アンテナ自身のグランドと共通なので、アンテナサイズが大きくなり効率が改善される。
・また、逆Fアンテナ60については、ループアンテナ50用のために設けた中空のスペース24があり、その切り抜かれたウィンドウの両サイドを電流が通り抜けることにより、放射パターンの改善とわずかな放射効率向上に寄与する。
逆F型アンテナ60は、フィーダー25から遠い位置に設置することで、干渉の影響が低減できる。また、受電アンテナ50の電流が小さくなる位置(λ/4の共振の節の位置)に設置すると、干渉の影響が低減できる。
実施例2に係るアンテナ20は、様々な態様で実装することができる。
態様1
アンテナ20は、その最もシンプルな実装態様として、少なくともループアンテナ50を含むアンテナとして構成することができる。アンテナ20は、ループアンテナ50から成るシングル・バンド・アンテナとして構成することができる。実装態様によっては、ループアンテナ50は、さらに、整流器(又は整流回路82等)と組み合わされてもよい。
アンテナ20の実装態様として、少なくともループアンテナ50と、整流器(又は整流回路82)とを組み合わせて含むとともに、高い効率を得るためには、アンテナのインピーダンスの調整を行うことができる。この際、アンテナ20の寸法、形状のバリエーションによるマッチングの対応や、周波数対応等を行ってもよい。
アンテナ20の実装態様として、少なくともループアンテナ50と、整流器(又は整流回路82)と、電源回路(又は電力管理83)と、データ通信回路基板(又はマイコン85等)を組み合わせて構成することができる。この場合、アンテナ・モジュールとして提供することができる。
実施例3に対して、さらに逆F型アンテナ60を追加してもよい。この際、逆F型アンテナ60は、特に高周波への適用を可能とし、例えば、2.4GHz帯への適用を可能とする。その際、逆F型アンテナ60のアンテナパターン部分を様々に調整してもよい(図36(A)~(C)参照)。また、逆F型アンテナ60の取付け位置を様々に調整してもよい(図36(B)、(D)参照)。逆F型アンテナ60のアンテナパターン部分が適当な形状をとり得るように、任意の様々な調整を行うことができる。
さらに、アンテナ20の実装態様として、少なくともループアンテナ50と、整流器(又は整流回路82)と、電源回路(又は電力管理83)と、データ通信回路基板(又はマイコン85、逆F型アンテナ60)と、センサ86(図37参照)を組み合わせて含む、センサネットワークシステム(又はセンサ・モジュール)を構築してもよい。センサ86の替わりに、機器90等を用いてもよい(図39参照)。
態様1~態様5の各場合で、アンテナ20の内部にさらにコア材30を組み合わせてもよい。その際、コア材の素材、大きさ、形状等を様々に調整することで、各アンテナの大きさ、形状、特性を様々に調整してもよい。その際、アンテナ20は、FPCを利用してもよい。
また、実施例2では、図32~図41、図43を参照して、様々な形態の受電アンテナ20について説明した。
実施例1と実施例2とは、互いに独立して実装されてもよく、又は、互いに組み合わせて実装されてもよい。例えば、実施例2に係るコア材30や、逆F型アンテナ60等は、実施例1に係る受電アンテナ1、1A、1a~1hに適用することができる。同様に、実施例1の説明は、実施例2に対して適用可能である。
また、データ通信用の通信帯域は、2.4GHz帯に限定するものでは無く、2.4GHzの近傍の(±10%)の範囲の周波数帯を用いてもかまわない。例えば2.45GHzの帯域を用いることもできる。また、5.7GHzの近傍の通信帯域を用いても構わない。高速データ通信のために高い周波数帯域が求められる一方、給電には、データ通信と比較して低い周波数帯域を用いることが可能である。
なお、上述の実施例は少なくとも特許請求の範囲に記載の構成を開示している。
10a・・・第1導電板
10b・・・第2導電板
10c・・・導電性部材
10d・・・突出部
11・・・フィーダー
20・・・アンテナ
21・・・第1の導電板
22・・・第2の導電板
23・・・第3の導電板
30・・・コア材
50・・・ループアンテナ
60・・・逆F型アンテナ
Claims (24)
- 第1の導電板と、
前記第1の導電板に対向する第2の導電板と、
前記第1の導電板の第1端部と、前記第1端部に対向する前記第2の導電板の第2端部とを接続するフィーダーと、
前記第1端部の反対側の第1他端部と、前記第2端部の反対側の第2他端部とを接続する導電性部材と、
を備える第1のアンテナ、
を備える無線給電に用いられる受電アンテナ。 - 前記導電性部材は、前記第1の導電板の第1他端部と、前記第2の導電板の第2他端部と、を接続する板状の部材であることを特徴とする請求項1に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板と、前記第2の導電板と、板状の前記導電性部材と、は一体成型されていることを特徴とする請求項2に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板と、前記第2の導電板と、板状の前記導電性部材とは、1枚の導電板を折り曲げた状態で構成されていることを特徴とする請求項2に記載の受電アンテナ。
- 前記1枚の導電板を、端部から所定距離内を切り欠いた状態で構成されていることを特徴とする請求項4に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板は、長さ方向において中央部が段状に、前記第2の導電板に向けて突出しているとともに、
前記第2の導電板は、長さ方向において中央部が段状に、前記第1の導電板に向けて突出している
ことを特徴とする請求項1に記載の受電アンテナ。 - 板状の前記導電板は、端部から所定距離内を切り欠いた状態で構成されていることを特徴とする請求項4に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板と前記第2の導電板には、スロットが設けられていることを特徴とする請求項7に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板の中央近傍の幅方向の端部から、前記第2の導電板に向けて、前記第1の導電板の一部が突出した突出部を備えることを特徴とする請求項8に記載の受電アンテナ。
- 前記突出部の先端と、前記第2の導電板との間にはギャップが設けられていることを特徴とする請求項9に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板と前記第2の導電板との間に誘電体のコア材を充填した、請求項1~10のいずれか1項に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板、前記導電性部材、及び前記第2の導電板のうちの少なくとも一つに中空のスペースを設け、その中に第2のアンテナを配置した、
請求項1~10のいずれか1項に記載の受電アンテナ。 - 前記第1のアンテナは、ループアンテナとして機能する、
請求項1~10のいずれか1項に記載の受電アンテナ。 - 前記第1の導電板、前記導電性部材、及び前記第2の導電板は、断面視で略コ字状の形状を有し、前記コの字の内側に前記ループアンテナの電界を生じさせるようにした、
請求項13に記載の受電アンテナ。 - 前記第1のアンテナは、電力受信用のアンテナである、
請求項1~10のいずれか1項に記載の受電アンテナ。 - 前記第1のアンテナは、約920MHzの周波数領域で駆動する、
請求項1~10に記載の受電アンテナ。 - 前記第2のアンテナは、逆Fアンテナ又はチップアンテナのいずれかである、
請求項12に記載の受電アンテナ。 - 前記第2のアンテナは、データの送受信用のアンテナである、
請求項12に記載の受電アンテナ。 - 前記第2のアンテナは、約2.4GHzの周波数領域で駆動する、
請求項12に記載の受電アンテナ。 - 前記第1の導電板と前記第2の導電板との間に誘電体のコア材を充填した、請求項12に記載の受電アンテナ。
- 前記第1の導電板、前記導電性部材、及び前記第2の導電板は、フレキシブルプリント基板(FPC)の第1の導電層により構成され、前記第2のアンテナは逆F型アンテナであり、かつ、前記逆F型アンテナは、前記FPCの第2の導電層により構成される、
請求項12に記載の受電アンテナ。 - 前記第1のアンテナは、逆Fアンテナとして機能する、
請求項1に記載の受電アンテナ。 - 前記第1の導電板の幅と、前記第2の導電板の幅とは、略同一であり、
前記第1の導電板の長さと、前記第2の導電板の長さとは、受信を想定する電波の周波数帯を共振周波数とする長さよりも、10~30%好ましくは20%程度長い、
請求項22に記載の受電アンテナ。 - 前記第1の導電板の幅と、前記第2の導電板の幅とは、略同一であり、
前記第1の導電板の長さと、前記第2の導電板の長さとは、受信を想定する電波の周波数帯を共振周波数とする長さよりも、10~30%好ましくは20%程度短い、
請求項22に記載の受電アンテナ。
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