JP7380715B2

JP7380715B2 - 近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置

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Publication number: JP7380715B2
Application number: JP2021569721A
Authority: JP
Inventors: 達也細谷; 崇浩長井
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2023-11-15
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Description

本発明は、近距離無線通信機能を有するワイヤレス受電装置に関する。

非接触充電コイルとＮＦＣアンテナと磁性シートとを備える一つのモジュールを構成し、通信及び電力伝送が可能な、小型の非接触充電モジュールに関して特許文献１が開示されている。この特許文献１には、充電コイルと、この充電コイルを囲むように配置されたＮＦＣコイルと、充電コイルを支持する第１の磁性シートと、第１の磁性シートに載置され、ＮＦＣコイルを支持する第２の磁性シートと、を備える非接触充電モジュールが示されている。

特許第５０１３０１９号公報

特許文献１に記載の非接触充電モジュールは、非接触充電用のコイル、非接触充電用の磁性体、ＮＦＣ用のコイル、及びＮＦＣ用の磁性体が一体化されたものであるため、携帯端末に組み込む際に小型化が容易である。

しかし、特許文献１に記載の非接触充電モジュールでは、非接触充電のためのコイル及び磁性体と、ＮＦＣ通信のためのコイル及び磁性体とが実質的に独立していて、構造上の小型化以外に電気的特性上及び磁気的特性上の有機的な関連がない。

本発明の目的は、近距離無線通信機能とワイヤレス受電機能とを備え、しかも、この両者の干渉を抑制した、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置を提供することにある。

本開示の一例としての近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置は、平面に沿って配置された、近距離無線通信用の通信アンテナと、前記通信アンテナに接続され、前記近距離無線通信の信号を通過させるインターフェイス回路と、前記インターフェイス回路に接続され前記近距離無線通信の信号を処理する無線通信ＩＣと、前記平面に沿って配置された受電コイルと、前記受電コイルと共に受電共振回路を構成する共振キャパシタと、前記受電共振回路に接続された整流平滑回路と、を備える。そして、前記受電共振回路は前記近距離無線通信の周波数で共振し、前記受電共振回路に流れる共振電流により前記受電コイルに電流が流れて発生する主磁束の磁路は、前記近距離無線通信用の磁束が前記通信アンテナに鎖交する磁路から分離されている、ことを特徴とする。

上記構成によれば、受電共振回路は近距離無線通信の周波数で共振するので、相手側通信アンテナから発生される近距離無線通信用の磁束を受電コイルで受けて受電することができる。そのうえで、近距離無線通信機能とワイヤレス受電機能との干渉が抑制される。

本発明によれば、近距離無線通信機能とワイヤレス受電機能とを備え、しかも、この両者の電磁干渉が抑制された近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が得られる。また、近距離無線通信機能とワイヤレス受電機能との電磁干渉が抑制できることにより、それぞれ適切なパラメータ設定により互いに独立して設計でき、独立に設計した後に組み合わせて接続することで一体化できる。このことにより、開発や設計のプロセスを大幅に簡略化できるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す平面図である。図２は、第１の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１を含む、ワイヤレス受電システムの構成を示すブロック図である。図３は、第１の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１を含む、ワイヤレス受電システムの構成を示すブロック図である。図４は、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１のＮＦＣ－ＩＣ１６から通信アンテナ１１までの回路構成の例を示す図である。図５は、図３に示した送電回路５０の構成例を示す図である。図６は、図５に示した電力変換回路５２及び整流平滑回路２２の回路構成例を示す図である。図７は整流平滑回路２２の別の構成例を示す図である。図８は、送電コイル５１Ｌ、通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌの結合係数の関係を示す図である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂと通信アンテナ１１との位置関係と、その両者の結合係数ｋ１２との関係をシミュレーションするための、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂ及び通信アンテナ１１の構成を示す図である。図１０は、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、通信アンテナ１１を基材の角部に配置し、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂを基材の角部から中央へ移動させたときの、結合係数ｋ１２の変化を示す図である。図１１は、第２の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す平面図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は、第２の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂと通信アンテナ１１との位置関係と、その両者の結合係数ｋ１２との関係をシミュレーションするための、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂ及び通信アンテナ１１の構成を示す図である。図１３は、受電コイル２１Ｌｂに流れる電流により発生する磁界の向き及び磁界強度の分布、または受電コイル２１Ｌｂのコイル開口に磁束が鎖交する状態における磁界の向き及び磁界強度の分布を示す図である。図１４は、第３の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す平面図である。図１５は、第４の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す斜視図である。図１６は、図１５に示す通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す断面図である。

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。要点の説明又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又は組み合わせは可能である。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の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す平面図である。図１において、通信アンテナ１１はＮＦＣの通信アンテナであり、受電コイル２１Ｌはワイヤレス受電用の受電コイルである。通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌは、平面に沿って配置されている。通信アンテナ１１は複数ターン巻回された方形スパイラル状のコイル導体で構成されている。受電コイル２１Ｌも複数ターン巻回された方形スパイラル状のコイル導体で構成されている。

近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置は、通信アンテナ１１に近接する磁性体を備えていてもよい。その磁性体は、通信アンテナ１１に鎖交する磁束の磁路の一部を構成する。また、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置は、受電コイル２１Ｌに近接する磁性体を備えていてもよい。その磁性体は、受電コイル２１Ｌに鎖交する磁束の磁路の一部を構成する。これらの磁性体については後に例示する。

図１に示した通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌは、例えばクレジットカードサイズ等のカード型電子機器に設けられる。つまり、カード型電子機器として近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が構成される。図１に示した受電コイル２１Ｌはカード型電子機器の外形に沿って（四辺に沿って）設けられるのではなく、受電コイル２１Ｌの二辺のみがカード型電子機器の外形に沿って設けられている。

受電コイル２１Ｌに流れる電流（後に示す受電共振回路に流れる共振電流）により受電コイル２１Ｌに電流が流れて、その近傍に発生する主磁束の磁路は、近距離無線通信用の磁束が通信アンテナ１１に鎖交する磁路から分離されている、図１に示す例では、通信アンテナ１１は受電コイル２１Ｌに隣接しない位置に配置されている。受電共振回路に流れる共振電流により受電コイル２１Ｌに電流が流れて、その近傍に発生する主磁束の磁路は、通信用の磁束が通信アンテナ１１に鎖交する磁路から分離されている。

このカード型電子機器を利用する場合、後に示すように、ＮＦＣ通信装置の通信アンテナ（相手側通信アンテナ）にかざすことによりＮＦＣ通信を行う。また、送電装置の送電コイルにかざすことによってワイヤレス受電を行う。

図２は、第１の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１を含む、ワイヤレス受電システムの構成を示すブロック図である。図２に示す状態では、近距離無線通信システムは近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１、相手側通信アンテナ４１及びＮＦＣ通信回路４２で構成される。

近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１は、通信アンテナ１１と、この通信アンテナ１１に接続され、ＮＦＣ通信の信号を通過させるインターフェイス回路１２と、インターフェイス回路１２に接続され、ＮＦＣ通信の信号を処理するＮＦＣ－ＩＣと、を備える。

また、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１は、受電コイル２１Ｌと、受電コイル２１Ｌと共に受電共振回路２１を構成する共振キャパシタ２１Ｃと、受電共振回路２１に接続された整流平滑回路２２と、を備える。

また、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１は、上記整流平滑回路２２の出力部に接続された電圧変換回路２３と、充電回路２４と、二次電池３０と、充電制御回路２５と、放電制御回路１４と、電圧変換回路１５と、を備える。

電圧変換回路２３は、例えばＤＣ－ＤＣコンバータで構成され、整流平滑回路２２の出力電圧を、充電回路２４に必要な電圧に変換する。充電回路２４は電圧変換回路２３の出力電圧で二次電池３０を充電する。電圧変換回路１５は二次電池３０の起電圧を所定電圧に変換して、ＮＦＣ－ＩＣ１６へ電源電圧として供給する。

上記充電制御回路２５は、ＮＦＣ－ＩＣ１６から出力される制御信号に応じて、充電回路２４の動作の有効／無効を制御する。例えば、ＮＦＣ通信を行っている状態では充電を停止し、ＮＦＣ通信を行っていない状態では充電を行う。

上記放電制御回路１４は、ＮＦＣ－ＩＣ１６から出力される制御信号に応じて、電圧変換回路１５の動作の有効／無効を制御する。例えば、ＮＦＣ通信を行っている状態では電圧変換回路１５の動作を有効にし、ＮＦＣ通信を行っていない状態では電圧変換回路１５を無効にして放電を停止させる。

図２に示す状態では、ＮＦＣ通信用の相手側通信アンテナ４１と通信アンテナ１１とが磁界結合し、ＮＦＣ通信回路４２とＮＦＣ－ＩＣ１６とでＮＦＣ通信が行われる。また、相手側通信アンテナ４１は受電コイル２１Ｌとも磁界結合する。受電共振回路２１の共振周波数はＮＦＣ通信信号の周波数である13.56MHz帯である。また、ＮＦＣ通信信号の周波数での受電共振回路２１のインピーダンスは、ＮＦＣ通信信号の周波数でのインターフェイス回路１２のインピーダンスに比べて１／２以下である。したがって、ＮＦＣ通信信号の電力を高効率で受電できる。

図３は、第１の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１を含む、ワイヤレス受電システムの構成を示すブロック図である。図３に示す状態では、近距離無線通信システムは近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１、送電回路５０及び送電共振回路５１で構成される。送電共振回路５１は送電コイル５１Ｌと共振キャパシタ５１Ｃとで構成される。近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１の構成は図２に示した近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１と同じである。つまり、図３に示す例は、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１を送電コイル５１Ｌに近接配置している状態である。この状態で、送電コイル５１Ｌは受電コイル２１Ｌと磁界結合する。受電共振回路２１は送電共振回路５１と結合して磁気共鳴し、送電回路５０から整流平滑回路２２、電圧変換回路２３及び充電回路２４等で構成される受電回路へ電力が受電される。

図３に示す状態で、送電コイル５１Ｌは通信アンテナ１１とも磁界結合するが、ＮＦＣ－ＩＣ１６はＮＦＣ通信を行わない。また、この状態で、充電制御回路２５はＮＦＣ－ＩＣ１６から制御信号を受けず、充電回路が「有効」となる。これにより、送電回路５０からワイヤレス受電した電力で二次電池３０は充電される。さらに、放電制御回路１４は、ＮＦＣ－ＩＣ１６から制御信号を受けず、電圧変換回路１５が「無効」となる。これにより、二次電池３０からの無駄な放電が抑制される。

図４は、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置１０１のＮＦＣ－ＩＣ１６から通信アンテナ１１までの回路構成の例を示す図である。図４において、インターフェイス回路１２は整合回路１２Ｍ、送信フィルタ１２ＴＦ及び受信フィルタ１２ＲＦで構成されている。ＮＦＣ－ＩＣ１６は、送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２、受信信号端子Ｒｘ１，Ｒｘ２及びグランド端子ＴＶＳＳを備えている。ＮＦＣ－ＩＣ１６はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調を行う。また、このＮＦＣ－ＩＣ１６は通信データを含むデータの入出力も行う。

送信フィルタ１２ＴＦは、インダクタＬ０及びキャパシタＣ０で構成されるＥＭＩ除去用フィルタであり、ＮＦＣ－ＩＣ１６により生じるノイズの放出及びＮＦＣ－ＩＣ１６へのノイズの侵入を抑制するとともに、ＮＦＣ送信信号の周波数帯は通過させる。受信フィルタ１２ＲＦはキャパシタＣ２ｂで構成され、ＮＦＣ受信信号を通過させる。整合回路１２Ｍは、キャパシタＣ１，Ｃ２ａで構成される整合回路であり、送信フィルタ１２ＴＦを介するＮＦＣ－ＩＣ１６のインピーダンスと通信アンテナ１１のインピーダンスと、を整合させる。

図４では図示していないが、ＮＦＣ－ＩＣ１６から通信アンテナ１１までの回路構成において、抵抗成分を設ければ、入力インピーダンスを大きくして、ＮＦＣ－ＩＣ１６により生じるノイズの放出及びＮＦＣ－ＩＣ１６へのノイズの侵入を抑制できる。

図５は、図３に示した送電回路５０の構成例を示す図である。送電回路５０は、直流電源５５、電圧変換回路５３、電力変換回路５２、電力制御回路５４を備える。電圧変換回路５３は、直流電源５５の電圧を、電力変換回路５２に適した電圧に変換する。電力変換回路５２は電力制御回路５４に制御されて、送電共振回路５１へ送電電力を供給する。

図５において、送電共振回路５１は送電コイル５１Ｌと共鳴調整回路５１Ａとで構成される。共鳴調整回路５１Ａは図３に示した共振キャパシタ５１Ｃ等である。この共鳴調整回路５１Ａと送電コイル５１Ｌとで共振回路が構成され、受電コイル２１Ｌと共鳴調整回路２１Ａとで受電共振回路２１が構成される。共鳴調整回路２１Ａは図３に示した共振キャパシタ２１Ｃ等である。

上記送電共振回路５１と受電共振回路２１とは共鳴して、電磁界共鳴する。このようにしていわゆる直流共鳴方式によってワイヤレス電力伝送がなされる。受電コイル２１Ｌに接続された共鳴調整回路２１Ａ及び受電共振回路２１は通信を目的としないので、ノイズの放出やノイズの侵入を抑制する抵抗成分は不要であり、回路構成における抵抗成分を十分に小さくして入力インピーダンスを小さくできる。このため、電気エネルギーや磁気エネルギーの消費は小さい。受電コイル２１Ｌを通して得た磁気エネルギーから変換された電気エネルギーは、受電共振回路において保存することができ、通信距離を大きくすることができる。

図６は、図５に示した電力変換回路５２及び整流平滑回路２２の回路構成例を示す図である。電力変換回路５２は、等価的にスイッチング素子Q1、ダイオードDds1及びキャパシタCds1の並列接続回路で構成される第１スイッチ回路S1と、等価的にスイッチング素子Q2、ダイオードDds2及びキャパシタCds2の並列接続回路で構成される第２スイッチ回路S2とを備える。

スイッチング素子Q1，Q2は電力制御回路５４（図５）からの信号によってスイッチングされる。第１スイッチ回路S1のスイッチング素子Q1及び第２スイッチ回路S2のスイッチング素子Q2は交互にオン／オフされる。

スイッチング素子Q1，Q2はＭＯＳＦＥＴなどの、寄生出力容量や寄生ダイオードを有するスイッチング素子であり、この寄生出力容量や寄生ダイオードを利用してスイッチ回路S1、S2を構成している。

上記スイッチング制御回路は第１スイッチング素子Q1及び第２スイッチング素子Q2を所定の動作周波数でスイッチングすることで、直流電圧を送電共振機構に断続的に与えて送電共振機構に共振電流を発生させる。これにより、第１スイッチ回路S1及び第２スイッチ回路S2の両端電圧を半周期毎の半波の正弦波状の波形とする。具体的には、ＮＦＣ通信で用いられる13.56MHzでスイッチング動作させる。

受電回路は、受電コイル２１Ｌと共振キャパシタ２１Ｃによる受電共振回路と整流平滑回路２２を備える。整流平滑回路２２は、等価的にダイオードD3及びキャパシタCds3の並列接続回路で構成される第３スイッチ回路S3と、等価的にダイオードD4及びキャパシタCds4の並列接続回路で構成される第４スイッチ回路S4とを備える。

第３スイッチ回路S3及び第４スイッチ回路S4は、受電コイル２１Ｌと共振キャパシタ２１Ｃによる受電共振回路に発生する電圧を整流し、キャパシタＣｏはその電圧を平滑する。この例では、受電コイル２１Ｌと共振キャパシタ２１Ｃとは直列共振回路を構成している。

図７は整流平滑回路２２の別の構成例を示す図である。このように、受電共振回路２１にダイオードブリッジ回路ＤＢの入力部を接続し、ダイオードブリッジ回路ＤＢの出力に平滑用のキャパシタＣｏを接続してもよい。

図８は、送電コイル５１Ｌ、通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌの結合係数の関係を示す図である。ここで、送電コイル５１Ｌと通信アンテナ１１との結合係数をｋ１、送電コイル５１Ｌと受電コイル２１Ｌとの結合係数をｋ２、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数をｋ１２、でそれぞれ表すと、ｋ１２＜ｋ１の関係である。また、ｋ１２＜ｋ２の関係である。

上記関係により、通信アンテナ１１は主に送電コイル５１Ｌと結合し、受電コイル２１Ｌとは強く結合しない。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂと通信アンテナ１１との位置関係と、その両者の結合係数ｋ１２との関係をシミュレーションするための、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂ及び通信アンテナ１１の構成を示す図である。ここで、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂの仕様は次のとおりである。

［通信アンテナ１１］
外形：８．４ｍｍ×８．４ｍｍ
配線幅：０．１５ｍｍ
配線ピッチ：０．２ｍｍ
ターン数：１３
［受電コイル２１Ｌａ］
外形：２０ｍｍ×２０ｍｍ
配線幅：０．８ｍｍ
配線ピッチ：１．２ｍｍ
ターン数：４
［受電コイル２１Ｌｂ］
外形：２０ｍｍ×４０ｍｍ
配線幅：０．８ｍｍ
配線ピッチ：１．２ｍｍ
ターン数：４
図１０は、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、通信アンテナ１１を基材の角部に配置し、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂを基材の角部から中央へ移動させたときの、結合係数ｋ１２の変化を示す図である。

通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂとの結合係数ｋ１２は、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂが通信アンテナ１１に接近するほど大きくなる。

上記ｋ１２＜ｋ１の関係を満足するためには、通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂが配置されている基材の、異なる角部に通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂがそれぞれ配置されていることが好ましい。また、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂとの間隔がより離れる位置関係で基材に配置されていることが好ましい。

本実施形態によれば、近距離無線通信機能とワイヤレス受電機能とを独立した機能としてもたせることができる。そのため、近距離無線通信機能及びワイヤレス受電機能の特性をそれぞれ変更することなく、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が構成できる。例えば、ワイヤレス受電機能のための構成による干渉を受けることなく、近距離無線通信の通信可能距離に制限を掛けことが容易となる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂに近接する磁性体を備える近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置について示す。

図１１は、第２の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す平面図である。図１１において、通信アンテナ１１はＮＦＣの通信アンテナであり、受電コイル２１Ｌはワイヤレス受電用の受電コイルである。通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌは、平面に沿って配置されている。通信アンテナ１１は複数ターン巻回された方形スパイラル状のコイル導体で構成されている。受電コイル２１Ｌも複数ターン巻回された方形スパイラル状のコイル導体で構成されている。図１に示した例とは異なり、この例では、受電コイル２１Ｌに対して面で接するように受電コイル磁性シート６２が設けられている。

図１１において、＋Ｚ方向の面が相手側通信アンテナ４１又は送電コイル５１Ｌ側である。受電コイル磁性シート６２は、例えば磁性フェライトをフレキシブルなシート状に形成したものである。受電コイル磁性シート６２は通信アンテナ１１には接していない。

この構成によれば、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌのコイル開口を通る磁束の拡がりが抑えられ、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数ｋ１２は小さい。また、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌと相手側通信アンテナ４１（図２）との結合係数、または受電コイル２１Ｌと送電コイル５１Ｌ（図３）との結合係数ｋ２（図８）が向上する。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は、第２の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂと通信アンテナ１１との位置関係と、その両者の結合係数ｋ１２との関係をシミュレーションするための、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂ及び通信アンテナ１１の構成を示す図である。

図１３は、受電コイル２１Ｌｂに流れる電流により発生する磁界の向き及び磁界強度の分布、または受電コイル２１Ｌｂのコイル開口に磁束が鎖交する状態における磁界の向き及び磁界強度の分布を示す図である。このように、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌｂを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌｂのコイル開口を通る磁束の拡がりが抑えられ、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数ｋ１２は小さい。

ここで、透磁率などの異なる磁性体を用いたときの、通信アンテナ１１、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂのインダクタンス及び結合係数ｋ１２の例を示す。各磁性シートの複素誘電率の実部μ′、虚部μ″及び誘電正接ｔａｎδは次のとおりである。

第１磁性シート：μ′＝４０、μ″＝０．９、ｔａｎδ＝０．０２２５
第２磁性シート：μ′＝２６、μ″＝０．６、ｔａｎδ＝０．０２３
第３磁性シート：μ′＝５２、μ″＝９．２、ｔａｎδ＝０．１７６
通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂの仕様は第１の実施形態で示したとおりである。

次の表１は、上記磁性シートを用いたときの、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂの自己インダクタンス、受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂと通信アンテナ１１との相互インダクタンス及び結合係数ｋ１２の例である。

表１においてドットパターンで示すように、磁性シートが無いときの通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂとの結合係数ｋ１２は最大となる。つまり、受電コイル磁性シート６２を設けることによって、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌａ，２１Ｌｂとの結合係数ｋ１２は低減できる。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、通信アンテナ１１に近接する磁性体を備える近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置について示す。

図１４は、第３の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す平面図である。図１４において、通信アンテナ１１はＮＦＣの通信アンテナであり、受電コイル２１Ｌはワイヤレス受電用の受電コイルである。通信アンテナ１１及び受電コイル２１Ｌは、平面に沿って配置されている。通信アンテナ１１は複数ターン巻回された方形スパイラル状のコイル導体で構成されている。受電コイル２１Ｌも複数ターン巻回された方形スパイラル状のコイル導体で構成されている。

第３の実施形態では、受電コイル２１Ｌに対して面で接するように受電コイル磁性シート６２が設けられている。また、通信アンテナ１１に対して面で接するように通信アンテナ磁性シート６１が設けられている。図１４において、＋Ｚ方向の面が相手側通信アンテナ４１又は送電コイル５１Ｌ側である。通信アンテナ磁性シート６１及び受電コイル磁性シート６２は、例えば磁性フェライトをフレキシブルなシート状に形成したものである。通信アンテナ磁性シート６１と受電コイル磁性シート６２とは接していない。

図１４に示す例では、受電コイル２１Ｌは、Ｘ方向の沿った二辺とＹ方向に沿った二辺を有する直方体形状のスパイラル状コイルである。また、通信アンテナ１１は、Ｘ方向及びＹ方向に対して４５度傾いた（回転した）四辺を有する正方形状のスパイラル状コイルである。

図１４に示す構造によれば、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌのコイル開口を通る磁束の拡がりが抑えられ、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数ｋ１２は小さい。さらに、本実施形態では、通信アンテナ磁性シート６１が、通信アンテナ１１を鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、通信アンテナ１１のコイル開口を通る磁束の拡がりが抑えられるので、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数ｋ１２はより効果的に抑制される。

また、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌと相手側通信アンテナ４１（図２）との結合係数、または受電コイル２１Ｌと送電コイル５１Ｌとの結合係数ｋ２（図８）が向上する。さらに、通信アンテナ磁性シート６１が、通信アンテナ１１を鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、通信アンテナ１１と相手側通信アンテナ４１（図２）との結合係数、または通信アンテナ１１と送電コイル５１Ｌとの結合係数ｋ１（図８）が向上する。

本実施形態では、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとは、平面に沿って４５度傾いた（回転した）関係にあるので、通信アンテナ１１の導体パターンと受電コイル２１Ｌの導体パターンは並行しない。そのため、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数は小さい。また、通信アンテナ１１の導体パターンの角部が受電コイル２１Ｌに対向しているので、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの間における磁束密度は相対的に小さい。そのため、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数は小さい。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、通信アンテナと受電コイルの位置関係がこれまでに示した例とは異なる近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置について示す。

図１５は、第４の実施形態に係る近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置が備える、通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す斜視図である。図１６は、図１５に示す通信アンテナ及び受電コイルの構造を示す断面図である。

この第４の実施形態では、受電コイル２１Ｌが形成された受電コイル基板７２、受電コイル磁性シート６２、通信アンテナ１１が形成された通信アンテナ基板７１及び通信アンテナ磁性シート６１を備える。受電コイル基板７２は長方形の枠状であり、通信アンテナ基板７１は正方形状である。受電コイル磁性シート６２は受電コイル基板７２に重なっていて、通信アンテナ１１は通信アンテナ基板７１に重なっている。

受電コイル２１Ｌと通信アンテナ１１とは同軸関係に配置されている。この構成によれば、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌのコイル開口を通る磁束の拡がりが抑えられる。また、通信アンテナ磁性シート６１が、通信アンテナ１１を鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、通信アンテナ１１のコイル開口を通る磁束の拡がりが抑えられる。このことにより、通信アンテナ１１と受電コイル２１Ｌとの結合係数ｋ１２（図８）は小さい。また、受電コイル磁性シート６２が、受電コイル２１Ｌを鎖交する磁束の磁路の一部として作用するので、受電コイル２１Ｌと相手側通信アンテナ４１（図２）との結合係数は高い。同様に、通信アンテナ１１と通信回路（例えば、図２中のＮＦＣ通信回路４２）との結合係数も高い。

なお、図１５、図１６に示す例では、受電コイル基板７２と通信アンテナ基板７１とが別体であるが、これらを一体の基板で構成してもよい。ただし、その場合でも、受電コイル磁性シート６２は受電コイル２１Ｌに沿った枠状であることが好ましい。このことにより、近距離無線通信用の磁束が通信アンテナ１１に鎖交する磁路から、受電用の磁束の磁路が分離される。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

例えば、本発明はカード型電子機器に限らず、スマートフォンやフィーチャーフォン等の携帯電話端末、スマートウォッチやスマートグラス等のウェアラブル端末、ノートＰＣやタブレットＰＣ等の携帯ＰＣ、カメラ、ゲーム機、玩具等の情報機器、ＩＣタグ、ＩＣカード等の情報媒体等、様々な電子機器に適用可能である。

Cds1，Cds2，Cds3，Cds4，Ｃｏ…キャパシタ
D3，D4，Dds1，Dds2…ダイオード
ＤＢ…ダイオードブリッジ回路
Q1…第１スイッチング素子
Q2…第２スイッチング素子
Ｒｘ１，Ｒｘ２…受信信号端子
S1…第１スイッチ回路
S2…第２スイッチ回路
S3…第３スイッチ回路
S4…第４スイッチ回路
ＴＶＳＳ…グランド端子
Ｔｘ１，Ｔｘ２…送信信号端子
１１…通信アンテナ
１２…インターフェイス回路
１２Ｍ…整合回路
１２ＲＦ…受信フィルタ
１２ＴＦ…送信フィルタ
１４…放電制御回路
１５…電圧変換回路
１６…ＮＦＣ－ＩＣ
２１…受電共振回路
２１Ａ…共鳴調整回路
２１Ｃ…共振キャパシタ
２１Ｌ，２１Ｌａ，２１Ｌｂ…受電コイル
２２…整流平滑回路
２３…電圧変換回路
２４…充電回路
２５…充電制御回路
３０…二次電池
４１…相手側通信アンテナ
４２…ＮＦＣ通信回路
５０…送電回路
５１…送電共振回路
５１Ａ…共鳴調整回路
５１Ｃ…共振キャパシタ
５１Ｌ…送電コイル
５２…電力変換回路
５３…電圧変換回路
５４…電力制御回路
５５…直流電源
６１…通信アンテナ磁性シート
６２…受電コイル磁性シート
１０１…近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置

Claims

平面に沿って配置された、近距離無線通信用の通信アンテナと、
前記通信アンテナに接続され、前記近距離無線通信の信号を通過させるインターフェイス回路と、
前記インターフェイス回路に接続され前記近距離無線通信の信号を処理する無線通信ＩＣと、
前記平面に配置された受電コイルと、
前記受電コイルと共に受電共振回路を構成する共振キャパシタと、
前記受電共振回路に接続された整流平滑回路と、
を備え、
前記受電コイルは、前記通信アンテナよりも大きく、
前記受電共振回路を構成する共振キャパシタは、前記近距離無線通信の周波数で共振するように設定され、
前記近距離無線通信の周波数での前記受電共振回路のインピーダンスは、前記近距離無線通信の周波数での前記インターフェイス回路のインピーダンスよりも小さく、
前記受電共振回路に流れる共振電流により前記受電コイルに電流が流れて、当該受電コイルの近傍に発生する主磁束の磁路は、前記近距離無線通信用の磁束が前記通信アンテナに鎖交する磁路から分離されている、
ことを特徴とする、近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記近距離無線通信の周波数での前記受電共振回路のインピーダンスは、前記近距離無線通信の周波数での前記インターフェイス回路のインピーダンスの１／２以下である、
請求項１に記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記通信アンテナ及び前記受電コイルは同一平面上に配置され、
前記通信アンテナは前記受電コイルの巻回領域の外側に配置された、
請求項１又は２に記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記通信アンテナは、前記受電コイルと、当該受電コイルに結合する送電コイルとの距離以上、前記受電コイルから離れた位置に配置された、
請求項１から３のいずれかに記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記通信アンテナ及び前記受電コイルは、それぞれ複数の辺を有し、前記通信アンテナは前記受電コイルに対して辺が並行しない関係に配置される、
請求項１から４のいずれかに記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記受電コイルに近接して配置されて前記主磁束の磁路を形成する受電用磁性シートを備える、
請求項１から５のいずれかに記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記通信アンテナに近接して配置されて、前記主磁束の磁路とは分離された磁路を形成する通信用磁性シートを備える、
請求項１から６のいずれかに記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記無線通信ＩＣに対する電源として作用する二次電池と、
前記整流平滑回路の電圧により前記二次電池を充電する充電回路と、を備える、
請求項１から７のいずれかに記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。
前記受電コイルと前記通信アンテナとの結合係数ｋ１２は、前記受電コイルと当該受電コイルに結合する送電コイルとの結合係数ｋ１より小さく、
前記受電コイルと前記通信アンテナとの結合係数ｋ１２は、前記通信アンテナと当該通信アンテナに結合する他の通信アンテナとの結合係数ｋ２より小さい、
請求項１から８のいずれかに記載の近距離無線通信機能付きワイヤレス受電装置。