JPWO2012073305A1 - 携帯機器及び給電システム - Google Patents

Abstract

低い周波数での非接触給電と高い周波数での通信とに対してコイル位置を共有する際に、適切な磁性シールドを提供できる携帯機器を提供する。携帯機器は、筐体と、筐体の外面側に位置するコイルと、筐体の内部に設けられコイルを介して第１の周波数に基づいて電力を受け取ると共に第２の周波数に基づいて通信を行なう回路と、コイルと筐体の内部領域との間に配置される磁性シールドとを含み、第１の周波数は第２の周波数よりも低く、磁性シールドは内部領域側の第１の部分の透磁率がコイル側の第２の部分の透磁率よりも前記第１の周波数において高いことを特徴とする。

Description

本願開示は、一般に電子機器に関し、詳しくは磁気により給電を行なう携帯機器及び給電システムに関する。

ＦｅｌｉＣａ等の非接触型ＩＣカードのための通信技術においては、カードリーダ・ライタにより交流磁界を生成し、ＩＣカード側のアンテナコイルにより磁界の変化を誘導電流に変換することにより、電力を供給すると共に信号を送受信する。ＩＣカードをカードリーダ・ライタにかざした瞬時の間に、内部に電源を持たないＩＣカードの動作に必要な電力をＩＣカード側に伝送し、その電力によりデータ通信を行なう。このＦｌｉＣａの通信技術が、既に一部の携帯電話に搭載されており、料金支払い等の手続において利用可能となっている。携帯電話等の携帯機器の場合、内部にバッテリを備えているので、通信時にカードリーダ・ライタから電力供給を受けることはない。

携帯電話等の携帯機器においては、内部のバッテリを充電するために、現在は接触型給電方式が用いられている。しかし近い将来には、携帯機器においても、電磁誘導や磁界共鳴等の磁界を用いた非接触給電方式が用いられると予想される。特に、至近距離での電力伝送だけではなく、磁界共鳴等を用いたある程度の距離を介しての電力伝送が可能になれば、携帯機器を机の上等に普通に置いておくだけで手軽に充電することが可能になり、利便性が高まる。基本的には、非接触給電の原理はＦｅｌｉＣａの電力電送の原理と同様であり、電力送信側で発生した磁界の変化を電力受信側のコイルにより誘導電流に変換することにより、電力伝送する。

ＦｅｌｉＣａを搭載した携帯電話において、アンテナコイルと携帯本体との間には磁性シールドが配置される。携帯電話の外側ケースの外表面近くにアンテナコイルが配置されるが、ケース内部の携帯電話を構成する回路は、回路基板やバッテリ等の金属を含む材料で構成される。磁性シールドが設けられていないとすると、送信側により生成されて受信用のアンテナコイルを通過した磁束が、内部の金属材料において渦電流を発生させる。この渦電流により、半磁界が発生すると共に、渦電流損による電力ロスが発生する。この結果、通信障害や給電効率の低下等の問題が起こる。

そこで表面近くに配置されたアンテナコイルの背後、即ち、アンテナコイルと内部回路との間に、磁性シールドを配置する。この磁性シールドは、透磁率（透磁率実部）が大きく磁気損失（透磁率虚部）が小さい材料で構成されるので、磁界が磁性シールドに沿って環流して送信側に戻ることになる。従って、磁界が携帯電話内部の金属材料に到達することがなく、渦電流による反磁界や電力ロスが発生しない。

磁界を漏れなく還流させるためには、磁性シールドの体積と透磁率との積が一定の値以上である必要性がある。また磁性シールド内での磁界の損失を小さくするために、低い磁気損失が必要となる。一般に磁性材料の磁気特性には周波数依存性があるので、ＦｅｌｉＣａの使用周波数である１３．５６ＭＨｚにおいて、高い透磁率と低い磁気損失とを備える必要がある。

前記のように非接触給電により携帯機器に電力伝送する場合、ＦｅｌｉＣａの使用周波数と一致した周波数を用いたのでは、互いに干渉してしまうという問題があるとともに、ＦｅｌｉＣａ用の回路が破壊されてしまう可能性がある。ＦｅｌｉＣａでは伝送電力の大きさがμワット程度であるのに対して、充電用の電力伝送には数ワット程度の電力の大きさが必要になり、数桁ものオーダーの違いがある。新規に製造する機器には電力伝送系とＦｅｌｉＣａ系との切り換え機能を持たせることが可能であるが、既存のＦｅｌｉＣａの機器には何ら保護機能が無い。従って、ＦｅｌｉＣａの使用周波数と一致した周波数を用いることは妥当ではない。また高周波において交流磁界を発生させるための増幅器を作成することは困難であり、一般に、ＦｅｌｉＣａの使用周波数である１３．５６ＭＨｚよりも低い周波数を非接触給電用に用いることが好ましい。

携帯電話等の携帯機器では、限られたスペース内に多くの機能を搭載するので、省スペース化が非常に重要である。従って、ＦｅｌｉＣａ機能と非接触給電機能とを搭載する場合、ＦｅｌｉＣａ用のアンテナコイルと非接触給電用のコイルとを別々に異なる箇所に配置するのではなく、同一箇所に重ねて配置することが好ましい。或いはＦｅｌｉＣａ用のアンテナコイルと非接触給電用のコイルとを、１つの共有するコイルとして配置することが好ましい。しかしながら、この場合、磁性シールドの周波数特性が問題となる。

ＦｅｌｉＣａ用及び非接触給電用のコイルの背後に配置する磁性シールドとしては、ＦｅｌｉＣａの使用周波数と非接触給電の使用周波数との両方において、高い透磁率と低い磁気損失とを備えることが要求される。しかしながら一般に、全周波数に渡って透磁率が高く磁気損失が低いような周波数特性の磁性シールドは存在しない。磁性の源となるのは電子の回転運動による磁気モーメントであり、磁性体に低い周波数の交流磁界を印加した場合、磁気モーメントの動きが磁界の変化に追従して高い透磁率（実部）が得られる。磁性体に印加する交流磁界の周波数を高くしていくと、磁気モーメントの動きが磁界の変化に追従しにくくなり、透磁率（実部）が低下し、磁気損失（透磁率虚部）が高くなっていく。更に高い周波数になると、磁気モーメントが高周波に全く追従できずに動かなくなり、透磁率及び磁気損失共に小さくなる。従って、高周波域で高透磁率を示す磁性体は存在し難いことになり、低域から高域まで高い透磁率を実現する理想的な磁性シールドを開発することは困難となる。

また磁性材料では、磁気共鳴周波数以上の周波数において透磁率が低下していくが、この磁気共鳴周波数と透磁率との間には、透磁率が低いほど磁気共鳴周波数が高くなるという関係（スネークの限界則）がある。従って、透磁率が比較的高い磁性シールドの場合、磁気共鳴周波数は低く、比較的低い周波数から透磁率が低下して磁気損失が増大してしまう。また透磁率が比較的低い磁性シールドの場合、磁気共鳴周波数は高く、比較的高い周波数から透磁率が低下して磁気損失が増大することになる。

低周波数での非接触給電機能に対する磁性シールドとしては、非接触給電のための強い磁界を全て環流させるために、非常に高い透磁率のものが要求される。しかしこのように高い透磁率の磁性シールドでは、磁気共鳴周波数が低くなり、ＦｅｌｉＣａ等に使用する高周波数での透磁率が大幅に低下してしまう。また逆に、ＦｅｌｉＣａ等に使用する高周波数での透磁率をある程度確保しようとすると、磁気共鳴周波数が高い磁性シールドを用いることになり、非接触給電のための強い磁界を全て環流させる程の透磁率の大きさが得られない。

なお特許文献１には、電力用コイル部と信号用コイル部とを並べて配置し、これら電力用コイル部と信号用コイル部との間に２つの磁気シールド板を設ける構成が開示されている。この構成では、信号用コイル部より発生する磁気信号に電力用コイル部からの漏洩磁界が重畳して正確な信号の伝送が妨げられるおそれがあるため、電力用コイル部と信号用コイル部との間に２枚の磁気シールド板を設け、漏洩磁束の影響を除去あるいは緩和している。一方の磁気シールド板は、渦電流損の大きい、すなわち抵抗率の小さい導電性材料によって構成され、他方の磁気シールド板は、例えばＭｎ−Ｚｎフェライト等の軟磁性体など、磁束を吸収しやすい高透磁率材料をもって形成される。これら２枚の磁気シールド板は、電力用コイル部から信号用コイル部へのノイズの影響を低減するためのものであり、電力用及び信号用のそれぞれ異なる周波数での適切なシールドを提供するためのものではない。また導電性材料の磁気シールド板は、現在の非接触給電技術で想定されるような高い周波数では渦電流損が大きすぎ、実用に耐えるものではない。

特開平８−２４１３８６号公報

以上を鑑みると、低い周波数での非接触給電と高い周波数での通信とに対してコイル位置を共有する際に、適切な磁性シールドを提供できる携帯機器及び給電システムが望まれる。

携帯機器は、筐体と、前記筐体の外面側に位置するコイルと、前記筐体の内部に設けられ前記コイルを介して第１の周波数に基づいて電力を受け取ると共に第２の周波数に基づいて通信を行なう回路と、前記コイルと前記筐体の内部領域との間に配置される磁性シールドとを含み、前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも低く、前記磁性シールドは前記内部領域側の第１の部分の透磁率が前記コイル側の第２の部分の透磁率よりも前記第１の周波数において高いことを特徴とする。

給電システムは、電力送信装置と、前記電力送信装置から磁気を介して電力を伝送される携帯機器とを含み、前記携帯機器は、筐体と、前記筐体の外面側に位置するコイルと、前記筐体の内部に設けられ、前記コイルを介して前記電力送信装置から第１の周波数に基づいて電力を受け取ると共に、前記コイルを介して第２の周波数に基づいて通信を行なう回路と、前記コイルと前記筐体の内部領域との間に配置される磁性シールドとを含み、前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも低く、前記磁性シールドは前記内部領域側の第１の部分の透磁率が前記コイル側の第２の部分の透磁率よりも高いことを特徴とする。

本願開示の少なくとも１つの実施例によれば、低い周波数での非接触給電と高い周波数での通信とに対してコイル位置を共有する際に、適切な磁性シールドを提供できる携帯機器及び給電システムが提供される。

携帯機器に給電するシステムの概要を示す図である。 携帯機器と電磁誘導を介して通信するシステムを示す図である。 図２の通信システムの機能構成を示すブロック図である。 図１の給電システムの機能構成を示すブロック図である。 携帯機器内部の通信用のコイル及び制御系並びに電力伝送用のコイル及び制御系の構成の一例を示す図である。 携帯機器内部の通信用のコイル及び制御系並びに電力伝送用のコイル及び制御系の構成の別の一例を示す図である。 電力伝送用のコイルと通信用のコイルとの具体的な配置の一例を示す図である。 電力伝送用のコイルと通信用のコイルとの具体的な配置の別の一例を示す図である。 図９は、携帯機器のコイル及び磁性シールドの配置を模式的に示す図である。 図１０は、コイル及び磁性シールドの配置を示す携帯機器の断面図である。 第１の磁性シールドと第２の磁性シールドとの磁気特性を示す図である。 第１の磁性シールド及び第２の磁性シールドの特有の配置によるシールド効果を示す図である。 比較対象として第１の磁性シールドと第２の磁性シールドとの配置順を逆転させた場合のシールド効果を示す図である。 比較対象として第２の磁性シールドのみを配置した場合のシールド効果を示す図である。 比較対象として第１の磁性シールドのみを配置した場合のシールド効果を示す図である。 第１の磁性シールド又は第２の磁性シールドの一方のみを配置した場合の磁気損失をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。

図１は、携帯機器に給電するシステムの概要を示す図である。携帯機器１０は、例えば携帯電話であってよいし、或いは個人情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）や携帯音楽再生機器等であってもよい。携帯機器１０は、電力送信装置１１から所定の周波数の交流磁界を介して電力を供給される。図１に模式的に示すように、電力送信装置１１は電力送信用のコイル１２を含み、携帯機器１０は電力受信用のコイル１３を含む。コイル１２とコイル１３とは、それぞれ共振用のコンデンサに接続されていてよい。電力送信装置１１側と携帯機器１０側とで電力伝送用の共振周波数を同一に設定すれば、送信側と受信側とが共振結合され、ある程度の距離が離れても高効率で電力電送できることが知られている。なお図１に示す給電システムでは、共振結合を利用しなくともよい。共振結合を利用しない場合には、携帯機器１０と電力送信装置１１とは物理的に接触する程度の近い距離に配置されて電力伝送することになる。電力送信装置１１から受信した電力は、携帯機器１０内部のバッテリに充電される。このバッテリは、携帯機器１０が駆動する電源として機能する。

図２は、携帯機器と電磁誘導を介して通信するシステムを示す図である。携帯機器１０は、カードリーダ／ライタ１５と所定の周波数の交流磁界（或いは電磁波）を介して通信を行なう。一例としてＦｅｌｉＣａの仕様に従った通信であってよい。図２に模式的に示すように、携帯機器１０は通信用のアンテナとして機能するコイル１６を含む。電力送信装置１１側のアンテナと携帯機器１０のコイル１６との間で電磁誘導により信号を送受し、情報のやり取りを行なう。この際、携帯機器１０の動作に必要な電力は、前述の内部のバッテリから供給されてよい。なお図１に示す給電システム（充電システム）と図２に示す通信システムとは、基本的に、同時に使用されることはない。

図３は、図２の通信システムの機能構成を示すブロック図である。通信システムは、１次側制御系（コントロールボード）２１、１次側アンテナ２２、２次側アンテナ２３、及び通信制御系２４を含む。１次側制御系２１及び一次側アンテナ２２がカードリーダ／ライタ１５側に設けられ、２次側アンテナ２３及び通信制御系２４が携帯機器１０側に設けられる。２次側アンテナ２３は図２のコイル１６に相当する。１次側制御系２１は、携帯機器１０に送信するデータやコマンドを変調し、得られた変調信号を１次側アンテナ２２から送信する。通信制御系２４は、２次側アンテナ２３を介して受け取った変調信号を復調し、この復調により得られたデータやコマンドに基づいた動作を行なう。また通信制御系２４は、送信対象のデータを変調し、変調信号を２次側アンテナ２３から送信する。

図４は、図１の給電システムの機能構成を示すブロック図である。給電システムは、１次側制御系（発振器及びアンプ）２５、１次側コイル２６、２次側コイル２７、及び電源制御系２８を含む。１次側制御系２５及び１次側コイル２６が電力送信装置１１側に設けられ、１次側コイル２６及び２次側コイル２７が携帯機器１０側に設けられる。１次側コイル２６は図１のコイル１２に相当し、２次側コイル２７は図１のコイル１３に相当する。１次側制御系２５は、発振器により所定の周波数の発振信号を生成しアンプにより増幅してから、増幅後の発振信号を１次側コイル２６に供給する。１次側コイル２６はインダクタとキャパシタとを含む共振系を構成し、また２次側コイル２７もインダクタとキャパシタとを含む共振系を構成する。１次側コイル２６の共振系の共振周波数と２次側コイル２７の共振系の共振周波数とは同一であり、これにより距離を離れての効率的な電力伝送が可能となる。電源制御系２８は、２次側コイル２７に発生する誘導電流を整流して更にＤＣ−ＤＣ変換して一定の直流電圧を生成し、この直流電圧により内部電源（バッテリ）を充電する。

図１及び図４に示すシステムで非接触給電により電力伝送する場合、図２及び図３に示すＦｅｌｉＣａ等の通信系の使用周波数と一致した周波数を用いたのでは、前述したように干渉や回路破壊等の危険性がある。従って、通信系の使用周波数と一致した周波数を電力伝送に用いることは妥当ではない。また高周波において交流磁界を発生させるための増幅器を作成することは困難である。従って、通信系の使用周波数（例えばＦｅｌｉＣａの場合は１３．５６ＭＨｚ）よりも低い周波数（例えば２ＭＨｚ以下程度）を非接触給電用に用いることが好ましい。

図５は、携帯機器１０内部の通信用のコイル及び制御系並びに電力伝送用のコイル及び制御系の構成の一例を示す図である。図５に示す電力制御系及び通信制御系の回路は、切替制御回路３０、整流回路３１、ＤＣ−ＤＣ回路３２、ロジック回路３４、及びデータ制御回路３５を含む。なお図５及び以降の同様の図において、各ブロック（ボックス）で示される各回路と他の回路との境界は、基本的には機能的な境界を示すものであり、物理的な位置の分離、電気的な信号の分離、制御論理的な分離等に対応するとは限らない。各ブロックは、他のブロックと物理的にある程度分離された１つの回路やハードウェアモジュールであってもよいし、或いは他のブロックと物理的に一体となった回路やハードウェアモジュール中の１つの機能を示したものであってもよい。なお図５においては図示の都合上、コイル１３とコイル１６とがそれぞれ別個の配置箇所に設けられるように示されるが、実際には、後述するように少なくとも一部が互いに重なるように配置される。

整流回路３１及びＤＣ−ＤＣ回路３２が電力制御系であり、コイル１３及びコンデンサ１３ａを含む共振系のコイル１３を介して受け取った電力を制御する。具体的には、この受け取った電力により、バッテリ３３に直流電圧を供給して充電する。このバッテリ３３を電源として、切替制御回路３０、ロジック回路３４、及びデータ制御回路３５等の各回路が動作する。なお図５では、図示の見やすさを考慮して、バッテリ３３からロジック回路３４への電力供給のみを矢印で示してある。ロジック回路３４及びデータ制御回路３５が通信制御系であり、コイル１６を介して受信した信号に基づいて通信制御を実行する。

また切替制御回路３０は、スイッチ３７及び３８の一方をオンにすることにより、通信制御系又は電力制御系の何れか一方のみを対応するコイルに接続する。例えば、通常はスイッチ３７を開放し且つスイッチ３８を導通して、通信制御系のみをコイル１６に接続し、通信動作可能な状態としてよい。充電するときには、スイッチ３７を開放し且つスイッチ３８を導通して、電力制御系のみをコイル１３に接続し、電力受信可能な状態としてよい。電力伝送系と通信系とで用いる周波数が異なるために干渉や回路破損等の危険がない場合には、切替制御回路３０及びスイッチ３７及び３８を設けることなく、コイル１３及び１６を電力制御系及び通信系に接続したままの構成としてもよい。

コイル１３が受信する電力は、交流電圧として整流回路３１に供給される。整流回路３１は、コイル１３から供給される交流電圧を整流して直流電圧を生成する。整流回路３１が生成した直流電圧は、ＤＣ−ＤＣ回路３２を介して、バッテリ３３に充電電圧として供給される。なおＤＣ−ＤＣ回路３２は、平滑用のキャパシタや電圧調整用の回路を含み、所定の電圧の直流電圧を安定して供給する機能を有する。

ロジック回路３４は、通信動作を制御する。データ制御回路３５は、アンテナコイル１６を介して供給される変調信号からデータ信号を復調する。復調されたデータ信号は、ロジック回路３４に供給される。データ制御回路３５はまた、ロジック回路３４からのデータ信号を変調して、変調信号をアンテナコイル１３に供給する。これにより、図２のカードリーダ／ライタ１５に対するデータ通信が行なわれる。

図６は、携帯機器１０内部の通信用のコイル及び制御系並びに電力伝送用のコイル及び制御系の構成の別の一例を示す図である。図５と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。図６においては、図５に示す電力伝送用コイル１３と通信用コイル１６との代りに、通信用及び電力伝送用に共用のコイル１８を用いている。また共用コイル１８を設けたことに伴い、図５の切替制御回路３０の代りに切替制御回路３０Ａが設けられている。切替制御回路３０Ａは、容量切換回路１８ａを制御することにより、共用コイル１８に接続される共振用のコンデンサを切り換える（或いはコンデンサの容量を変化させる）。通信時において、切替制御回路３０Ａは、共振用のコンデンサを無し（或いはコンデンサの容量を０）として、共用コイル１８を通信用のアンテナコイルとして用いる。また電力伝送時において、切替制御回路３０Ａは、伝送側と同一の共振周波数となるようなコンデンサを接続（或いはコンデンサの容量値を設定）し、共用コイル１８を電力伝送用のコイルとして用いる。更に、図５の場合と同様に切替制御回路３０Ａは、通常はスイッチ３７を開放し且つスイッチ３８を導通して、通信制御系のみをコイル１８に接続し、通信動作可能な状態としてよい。充電するときには、スイッチ３７を開放し且つスイッチ３８を導通して、電力制御系のみをコイル１３に接続し、電力受信可能な状態としてよい。

図７は、電力伝送用のコイルと通信用のコイルとの具体的な配置の一例を示す図である。図７において、図５と同一の構成要素は同一の番号で参照する。図７に示すように電力伝送用のコイル１３と通信用のコイル１６とは、携帯機器１０の所定のコイル配置箇所に、互いに重ねて配置されてよい。図７に示す例では、電力伝送用のコイル１３と通信用のコイル１６とは中心を同一とする同心円状に重ねられている。このように配置することにより、コイル１つ分の配置スペースに電力伝送用のコイル１３と通信用のコイル１６とを組み込んで、省スペース化を実現することができる。携帯電話等の携帯機器では、限られたスペース内に多くの機能を搭載するので、このような省スペース化を実現する配置が好ましい。なお図７に示すようにコイル中心を同一として完全に重ねるのではなく、互いのコイルの中心がずれる形で、互いにコイルの少なくとも一部が重なるように配置されてもよい。この場合でも、重なり分については省スペース化が実現されることになる。

図８は、電力伝送用のコイルと通信用のコイルとの具体的な配置の別の一例を示す図である。図８に示す例では、電力伝送用のコイルと通信用のコイルとを別個のコイルとして配置するのではなく、単一のコイル１８を配置し、この単一のコイル１８を電力伝送用と通信用とに兼用する。このように共用コイル１８を１つだけ設ける場合には、コイル１つ分の配置スペースのみが使用されることになり省スペース化を実現できるだけでなく、コスト削減や重量削減の効果も期待できる。

図７や図８に示すように、所定のコイル配置箇所に電力伝送用及び通信用のコイルを重ねて配置或いは共用して配置した場合には、このコイル配置箇所において、電力伝送用及び通信用の両方の周波数に対する適切な磁性シールドを設けることが必要になる。以下に、この磁性シールドの構成について説明する。

図９は、携帯機器のコイル及び磁性シールドの配置を模式的に示す図である。図１０は、コイル及び磁性シールドの配置を示す携帯機器の断面図である。図１０において、携帯機器１０の筐体４０内に、第１の磁性シールド４１、第２の磁性シールド４２、及びコイル４３が、筐体４０の内部領域側から外面側に向かってこの順番に配置される。また筐体４０内には、内部回路４４が収められている。内部回路４４は回路基板、基板上の回路素子、更にはバッテリ等を含んでよい。内部回路４４はまた更には、液晶表示パネル等の表示装置等を含んでもよい。図９に示されるように、携帯機器１０を下面側から見た際に、コイル４３は筐体４０の下面全体のうちの一部の配置領域にのみ配置されている。従って、筐体４０の下面の他の箇所は、例えば赤外線通信、ＣＣＤカメラ、小型液晶表示窓等の他の機能を設けるために使用することができる。

コイル４３は、重ねて配置された電力伝送用のコイル及び通信用のコイルであってよく、或いは１つの共用コイルであってもよい。携帯機器１０の筐体４０に対し、その筐体４０の外面側（図１０の例では筐体４０の下面の側）にコイル４３が位置される。ここで筐体４０の外面側にコイル４３が位置されるとは、筐体４０の内部の回路や磁性シールド４１及び４２に対して、より筐体４０の外面に近い側にコイル４３が位置されるという意味であり、コイル４３が、筐体４０の外表面上に設けられるという意味ではない。勿論、図１に示すカードリーダ／ライタ１５等との通信を行なうために、筐体４０の外面に近い位置にコイル４３が設けられることになる。但し、コイル４３が露出状態とならないように、筐体４０により、又は筐体４０とは異なる材料により、コイル４３の表面が覆われる。

前述のように、電力伝送用の第１の周波数は、通信用の第２の周波数（例えばＦｅｌｉＣａの場合は１３．５６ＭＨｚ）よりも低い周波数（例えば２ＭＨｚ以下程度）であることが好ましい。但し共振回路の効率（Ｑ値）を考慮すると、ある程度高い周波数の方が効率が良く、電力伝送用の第１の周波数としては１〜２ＭＨｚ程度の周波数が実用的である。筐体４０の内部に設けられる内部回路４４は、コイル４３を介して上記第１の周波数に基づいて電力を受け取ると共に上記第２の周波数に基づいて通信を行なう回路を含んでよい。この回路は、具体的には、例えば図５及び図６に示す整流回路３１、ＤＣ−ＤＣ回路３２、ロジック回路３４、及びデータ制御回路３５等である。

磁性シールドは、コイル４３と筐体４０の内部領域との間に配置される。この磁性シールドは内部領域側の第１の部分（例えば第１の磁性シールド４１）の透磁率がコイル側の第２の部分（例えば第２の磁性シールド４２）の透磁率よりも高い。なお磁性シールドは、第１の磁性シールド４１及び第２の磁性シールド４２のように特性（透磁率）が異なる２枚のシートであってよいし、或いは異なる特性（透磁率）のシートが互いに密着して境界が明確でなくなり一枚のシート状となったものであってもよい。或いは、一枚のシートの一方の面の側から他方の面の側に向かい連続的に或いは段階的に特性（透磁率）が変化するような磁性シールドであってもよい。或いは、３枚或いはそれ以上の異なる特性（透磁率）のシートが順番に配置されたものであってもよいし、これらのシートが互いに密着して境界が明確でなくなり一枚のシート状となったものであってもよい。このように、コイル４３と筐体４０の内部領域との間に配置される磁性シールドは、その構造に関わらず、内部領域側の第１の部分の透磁率がコイル側の第２の部分の透磁率よりも高いものであればよい。

図１１は、第１の磁性シールド４１と第２の磁性シールド４２との磁気特性を示す図である。図１１において横軸は周波数を示し、縦軸は透磁率（透磁率実部）及び磁気損失（透磁率虚部）を示す。前述のように、磁性体に低い周波数の交流磁界を印加した場合、磁気モーメントの動きが磁界の変化に追従して高い透磁率（実部）が得られる。磁性体に印加する交流磁界の周波数を高くしていくと、磁気モーメントの動きが磁界の変化に追従しにくくなり、透磁率（実部）が低下し、磁気損失（透磁率虚部）が高くなっていく。更に高い周波数になると、磁気モーメントが高周波に全く追従できずに動かなくなり、透磁率及び磁気損失共に小さくなる。また磁性材料では、磁気共鳴周波数以上の周波数において透磁率が低下していくが、この磁気共鳴周波数と透磁率との間には、透磁率が低いほど磁気共鳴周波数が高くなるという関係（スネークの限界則）がある。従って、透磁率が比較的高い磁性シールドの場合、磁気共鳴周波数は低く、比較的低い周波数から透磁率が低下して磁気損失が増大する。また透磁率が比較的低い磁性シールドの場合、磁気共鳴周波数は高く、比較的高い周波数から透磁率が低下して磁気損失が増大する。

図１１において、透磁率特性５０及び磁気損失特性５２は第１の磁性シールド４１の特性であり、透磁率特性５１及び磁気損失特性５３は第２の磁性シールド４２の特性である。第１の磁性シールド４１は、低周波数において透磁率２００程度の高い透磁率を有し、例えば２ＭＨｚ程度の電力伝送用周波数ｆ１においてこの高い透磁率を維持する。高い透磁率を有する第１の磁性シールド４１の磁気共鳴周波数は低く、比較的低い周波数から透磁率が低下して磁気損失が増大する。図１１に示す例では、２ＭＨｚを超えたあたりから透磁率特性５０が下降し、磁気損失特性５２が上昇している。通信用周波数ｆ２（例えばＦｅｌｉＣａの場合は１３．５６ＭＨｚ）において、第１の磁性シールド４１の透磁率は低く、また無視できない程度の磁気損失が発生する。従って、第１の磁性シールド４１は、電力伝送用周波数ｆ１の磁場を損失無く導くという機能において電力伝送用シールドとして適切であるが、通信用周波数ｆ２の磁場に対して損失があるために通信用シールドとしては適切でない。なお一般に、磁性体の磁気共鳴周波数は、磁性シールドの透磁率が下降を始める周波数よりも僅かに低い周波数位置（例えば透磁率特性５０の場合であれば２ＭＨｚ近傍）に存在する。

第２の磁性シールド４２は、低周波数において透磁率５０程度の中程度の透磁率を有し、例えば２ＭＨｚ程度の電力伝送用周波数ｆ１においてこの中程度の透磁率を発揮する。この中程度の透磁率を有する第２の磁性シールド４２の磁気共鳴周波数はそれ程低くはなく（第１の磁性シールド４１の磁気共鳴周波数よりは高く）、中程度の透磁率をある程度の周波数まで維持することができる。図１１に示す例では、通信用周波数ｆ２（例えばＦｅｌｉＣａの場合は１３．５６ＭＨｚ）において、中程度の透磁率をそのまま維持している。その後、第２の磁性シールド４２の透磁率特性５１は下降し、磁気損失特性５３が上昇している。第２の磁性シールド４２は、通信用周波数ｆ２の磁場を損失無く導くという機能において通信用シールドとして適切であるが、透磁率５０程度では、周波数ｆ１での電力伝送のための強い磁場を導く必要がある電力伝送用シールドとしては適切でない。

なお磁性シールドの磁気特性は、材料とその組成、並びに製造方法により定まる。組成材料としては例えばＮｉ系のフェライトであり、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３等を様々な割合で組成して作られる。また金属磁性材料を表皮厚さ以下の微小片にして樹脂中に含ませて製造した磁性シールド等も用いられる。また製造方法のパラメータとして、材料の粒子径（焼結前の粉末粒子の細かさやサイズバラツキ）を制御したり、焼結時の温度や時間等を制御したりすることにより、磁気シールドの磁気特性を調整することができる。

図１２は、第１の磁性シールド４１及び第２の磁性シールド４２の特有の配置によるシールド効果を示す図である。前述のように、図１０に示す携帯機器１０では、筐体４０内部側に透磁率が比較的高い第１の磁性シールド４１が配置され、コイル４３側（筐体４０の外面に近い側）に透磁率が比較的低い第２の磁性シールド４２が配置される。図１２（ａ）及び（ｂ）において、コイル６０は筐体４０外部にあるカードリーダ／ライタ側或いは電力送信側のコイルである。第１の磁性シールド４１及び第２の磁性シールド４２は、図１１で説明した透磁率特性及び磁気損失特性を有するものとする。

図１２（ａ）には、図１１に示す通信用周波数ｆ２での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第２の磁性シールド４２は、通信用周波数ｆ２の磁場を損失無く導くという機能において通信用シールドとして適切である。従って、図１２（ａ）において矢印で示す磁束は、第２の磁性シールド４２に沿って損失無く進み、送信側のコイル６０に向かい損失無く環流される。このとき第１の磁性シールド４１は、コイル４３から見て、第２の磁性シールド４２の背後に位置するので、磁界の流れになんら影響を及ぼさない。

図１２（ｂ）には、図１１に示す電力伝送用周波数ｆ１での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第２の磁性シールド４２は、透磁率が十分に高くなく、周波数ｆ１での電力伝送のための強い磁場を全て導くことはできない。一方、第１の磁性シールド４１は、電力伝送用周波数ｆ１の磁場を損失無く導くという機能において電力伝送用シールドとして適切である。従って図１２（ｂ）において、矢印で示す電力伝送用の磁束のうちごく一部分は第２の磁性シールド４２を介して損失無く環流するが、その大部分は第１の磁性シールド４１に沿って損失無く進み、送信側のコイル６０に向かい損失無く環流される。このように、第１の磁性シールド４１と第２の磁性シールド４２とにより、電力伝送用の磁界に対する適切なシールド効果を発揮する。言葉を換えて言うならば、第１の磁性シールド４１が電力伝送用の磁界に対する適切なシールド効果を発揮する一方で、第２の磁性シールド４２は損失をもたらすことなく、ある程度追加のシールド効果を提供することができる。

図１３は、比較対象として第１の磁性シールド４１と第２の磁性シールド４２との配置順を逆転させた場合のシールド効果を示す図である。図１３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１の磁性シールド４１がコイル４３側に配置され、第２の磁性シールド４２が筐体の内部領域側に配置される。なお第１の磁性シールド４１及び第２の磁性シールド４２は、図１１で説明した透磁率特性及び磁気損失特性を有するものとする。

図１３（ａ）には、図１１に示す通信用周波数ｆ２での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第１の磁性シールド４１は、通信用周波数ｆ２の磁場に対して損失があるために通信用シールドとしては適切でない。図１３（ａ）の配置では、この第１の磁性シールド４１がコイル４３側に配置されている。従って、図１３（ａ）において矢印で示す磁束は、第１の磁性シールド４１内での損失によりその多くが失われ、一部しか送信側のコイル６０に環流されない。その結果、送信側のコイル６０から送信した信号電力のうちのかなりの部分が失われ、極めて信号強度の弱い通信となり、正常な通信ができない可能性がある。なお図１３（ａ）では、損失の効果を誇張して、第１の磁性シールド４１内での損失により磁束が完全に失われたかの如く図示してある。

図１３（ｂ）には、図１１に示す電力伝送用周波数ｆ１での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第１の磁性シールド４１は、電力伝送用周波数ｆ１の磁場を損失無く導くという機能において電力伝送用シールドとして適切である。従って図１２（ｂ）において、矢印で示す電力伝送用の磁束は、第１の磁性シールド４１に沿って損失無く進み、送信側のコイル６０に向かい損失無く環流される。

このように、第１の磁性シールド４１をコイル４３側に配置し、第２の磁性シールド４２を筐体の内部領域側に配置した場合には、電力伝送時には問題がないが、通信時の損失が大きく、正常な通信ができない可能性がある。従って、図１２に示すように第１の磁性シールド４１を筐体の内部領域側に配置し、第２の磁性シールド４２をコイル４３側に配置することが好ましい。

図１４は、比較対象として第２の磁性シールド４２のみを配置した場合のシールド効果を示す図である。なお第２の磁性シールド４２は、図１１で説明した透磁率特性及び磁気損失特性を有するものとする。

図１４（ａ）には、図１１に示す通信用周波数ｆ２での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第２の磁性シールド４２は、通信用周波数ｆ２の磁場を損失無く導くという機能において通信用シールドとして適切である。従って、図１４（ａ）において矢印で示す磁束は、第２の磁性シールド４２に沿って損失無く進み、送信側のコイル６０に向かい損失無く環流される。このとき内部回路４４は、コイル４３から見て、第２の磁性シールド４２の背後に位置するので、磁界の流れになんら影響を及ぼさない。

図１４（ｂ）には、図１１に示す電力伝送用周波数ｆ１での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第２の磁性シールド４２は、透磁率が十分に高くなく、周波数ｆ１での電力伝送のための強い磁場を全て導くことはできない。従って図１２（ｂ）において、矢印で示す電力伝送用の磁束の大部分は第２の磁性シールド４２を貫いて内部回路４４に到達してしまう。この通過した磁束が、内部回路４４の金属材料において渦電流を発生させる。この渦電流により、下向きの矢印で図示される半磁界が発生すると共に、渦電流損による電力ロスが発生する。この結果、通信障害や給電効率の低下等の問題が起こる。

このように、第２の磁性シールド４２のみを配置した場合には、当然ながら、通信用周波数ｆ２の交流磁界に対しては適切なシールド効果が得られ、電力伝送用周波数ｆ１での交流磁界に対しては適切なシールド効果が得られない。従って、図１２に示すように第１の磁性シールド４１を筐体の内部領域側に配置し、第２の磁性シールド４２をコイル４３側に配置することが好ましい。

図１５は、比較対象として第１の磁性シールド４１のみを配置した場合のシールド効果を示す図である。なお第１の磁性シールド４１は、図１１で説明した透磁率特性及び磁気損失特性を有するものとする。

図１５（ａ）には、図１１に示す通信用周波数ｆ２での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第１の磁性シールド４１は、通信用周波数ｆ２の磁場に対して損失があるために通信用シールドとしては適切でない。従って、図１５（ａ）において矢印で示す磁束は、第１の磁性シールド４１内での損失によりその多くが失われ、一部しか送信側のコイル６０に環流されない。その結果、送信側のコイル６０から送信した信号電力のうちのかなりの部分が失われ、極めて信号強度の弱い通信となり、正常な通信ができない可能性がある。なお図１５（ａ）では、損失の効果を誇張して、第１の磁性シールド４１内での損失により磁束が完全に失われたかの如く図示してある。

図１５（ｂ）には、図１１に示す電力伝送用周波数ｆ１での交流磁界の磁束の流れが模式的に示される。前述のように、第１の磁性シールド４１は、電力伝送用周波数ｆ１の磁場を損失無く導くという機能において電力伝送用シールドとして適切である。従って図１５（ｂ）において、矢印で示す電力伝送用の磁束は、第１の磁性シールド４１に沿って損失無く進み、送信側のコイル６０に向かい損失無く環流される。

このように、第１の磁性シールド４１のみを配置した場合には、当然ながら、電力伝送用周波数ｆ１での交流磁界に対しては適切なシールド効果が得られ、通信用周波数ｆ２の交流磁界に対しては適切なシールド効果が得られない。従って、図１２に示すように第１の磁性シールド４１を筐体の内部領域側に配置し、第２の磁性シールド４２をコイル４３側に配置することが好ましい。

図１６は、第１の磁性シールド４１又は第２の磁性シールド４２の一方のみを配置した場合の磁気損失をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。簡単のために磁気損失としては複素透磁率のｔａｎΔ＝０．０１と仮定し、透磁率及び磁性シールドの厚みを変化させながら送電効率を計算した。横軸が透磁率であり、縦軸が送電効率である。送電効率特性６１、６２、６３、及び６４はそれぞれ、磁性シールドの厚さが０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、及び０．５ｍｍのものである。なお送電効率の低下は、通信においては通信障害やロスと等価である。またサイズに制限が大きい携帯機器に非接触のモジュール（コイル＋磁性シールド）を内蔵するためには、省スペース化のために可能な限り薄い磁性シールドを用いることが好ましい。送電効率特性６１に示されるように０．０５ｍｍ厚の磁性シールドの場合、透磁率が低い領域では送電効率の低下が著しい。

図１４に示される第２の磁性シールド４２のみを配置する場合、電力伝送用周波数ｆ１及び通信用周波数ｆ２の何れにおいても透磁率５０であるので、矢印Ｂで示す位置の送電効率となる。磁性シールドの厚さが０．０５ｍｍの場合には、送電効率が７５％であり、最良値の９０％よりも１５％程低下している。通信時のこの程度の効率低下は信号増幅により対応できるために問題にならないが、電力伝送時に１５％の効率低下があったのでは、極めて効率が悪いと言える。

図１５に示される第１の磁性シールド４１のみを配置する場合、電力伝送用周波数ｆ１においては透磁率２００であるので、矢印Ｃで示す位置の送電効率となる。また通信用周波数ｆ２においては透磁率１０であるので、矢印Ａで示す位置の送電効率となる。磁性シールドの厚さが０．０５ｍｍの場合、電力伝送時には送電効率９０％で問題がないが、通信時には送電効率が３６％となり効率低下が著しい。この結果、正常な通信を維持することは困難となる。

それに対して、図１２に示すように第１の磁性シールド４１を筐体の内部領域側に配置し、第２の磁性シールド４２をコイル４３側に配置した場合、電力伝送用周波数ｆ１においては透磁率２００＋α、通信用周波数ｆ２においては透磁率５０％となる。即ち、電力伝送時には送電効率９０％が得られ、通信時にも図１６に矢印Ｂで示す送電効率が得られる。従って、効率の良い電力伝送と良好な通信とを両立させることが可能となる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

１０ 携帯機器
１１ 電力送信装置
１２，１３ コイル
１５ カードリーダ／ライタ
１６ コイル
４０ 筐体
４１ 第１の磁性シールド
４２ 第２の磁性シールド
４３ コイル
４４ 内部回路

Claims (8)

1. 箱状の筐体と、
   前記筐体の内側に位置するコイルと、
   前記筐体の内部に設けられ前記コイルを介して第１の周波数に基づいて電力を受け取ると共に、該第１の周波数よりも高い第２の周波数に基づいて通信を行なう回路と、
   前記コイルと前記筐体の内部領域との間に前記コイルに対して垂直方向に積層された第１の部分と第２の部分とを有する磁性シールドと
   を含み、
   前記第１の部分の透磁率が、前記コイル側の第２の部分の透磁率よりも前記第１の周波数に対して高いことを特徴とする携帯機器。
2. 前記コイルは単一のコイル又は少なくとも一部が重なって配置される２つのコイルであることを特徴とする請求項１記載の携帯機器。
3. 前記磁性シールドは、
   前記内部領域側に配置され前記第１の部分をなす第１シールドと、
   前記コイル側に配置され前記第２の部分をなす第２シールドと
   を含み、前記第１シールドの透磁率が前記第２シールドの透磁率よりも前記第１の周波数において高いことを特徴とする請求項１又は２記載の携帯機器。
4. 前記第１の部分が特性を有する周波数は前記第２の部分が特性を有する周波数よりも低いことを特徴とする請求項１乃至３何れか一項記載の携帯機器。
5. 電力送信装置と、
   前記電力送信装置から磁気を介して電力を伝送される携帯機器と
   を含み、前記携帯機器は、
   箱状の筐体と、
   前記筐体の内側に位置するコイルと、
   前記筐体の内部に設けられ前記コイルを介して前記電力送信装置から第１の周波数に基づいて電力を受け取ると共に、該第１の周波数よりも高い第２の周波数に基づいて通信を行なう回路と、
   前記コイルと前記筐体の内部領域との間に前記コイルに対して垂直方向に積層された第１の部分と第２の部分とを有する磁性シールドと
   を含み、前記第１の部分の透磁率が前記コイル側の第２の部分の透磁率よりも前記第１の周波数に対して高いことを特徴とする給電システム。
6. 前記コイルは単一のコイル又は少なくとも一部が重なって配置される２つのコイルであることを特徴とする請求項５記載の給電システム。
7. 前記磁性シールドは、
   前記内部領域側に配置され前記第１の部分をなす第１シールドと、
   前記コイル側に配置され前記第２の部分をなす第２シールドと
   を含み、前記第１シールドの透磁率が前記第２シールドの透磁率よりも前記第１の周波数において高いことを特徴とする請求項５又は６記載の給電システム。
8. 前記第１の部分の周波数は前記第２の部分の周波数よりも低いことを特徴とする請求項５乃至７何れか一項記載の携帯機器。

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