(57)【要約】  第１非接触伝送システム及び第２非接触伝送システムで兼用される、スパイラル状のコイル導体を備えた電子機器において、コイルアンテナ（１０）は、直列接続された内周コイル（１１）と外周コイル（１２）とを有している。コイルアンテナ（１０）の両端は、第１システム用回路（１）に接続され、内周コイル（１１）の両端は、外周コイル（１２）に接続され、外周コイル（１２）は、内周コイル（１１）と電磁界を介して結合するブースターとして機能する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１非接触伝送システム及び第２非接触伝送システムで兼用されるコイル導体を備えたアンテナ装置において、
前記コイル導体は、直列接続された第１コイル部と第２コイル部とを有し、
前記コイル導体の両端は、前記第１非接触伝送システムの回路に接続され、
前記第１コイル部の両端は、前記第２非接触伝送システムの回路に接続され、
前記第２コイル部は、前記第１コイル部と少なくとも磁界を介して結合する、
アンテナ装置。
【請求項２】
前記第１コイル部と共振回路を構成する第１キャパシタと、
前記第２コイル部と共振回路を構成する第２キャパシタと、
前記第１コイル部及び前記第２コイル部と共振回路を構成する第３キャパシタと、
を備える、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第１コイル部は前記コイル導体の内周側であり、
前記第２コイル部は前記コイル導体の外周側である、
請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第１コイル部と前記第２コイル部とは、第１スイッチを介して直列接続されている、
請求項１から３の何れかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第１コイル部を前記第１非接触伝送システムの回路または前記第２非接触伝送システムの回路に選択的に接続する第２スイッチと、前記第２コイル部を前記第１非接触伝送システムの回路または前記第２キャパシタに選択的に接続する第３スイッチと、をさらに備える、請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記第１非接触伝送システムのキャリア周波数は、前記第２非接触伝送システムのキャリア周波数よりも低い、請求項１から５の何れかに記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記第１非接触伝送システムは磁界型非接触電力伝送システムであり、前記第２非接触伝送システムは磁界型非接触通信システムである、請求項６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
コイル導体を備えるアンテナ装置と、前記アンテナ装置に接続される第１非接触伝送システム用の回路と、前記アンテナ装置に接続される第２非接触伝送システム用の回路とを備える電子機器において、
前記コイル導体は、直列接続された第１コイル部と第２コイル部とを有し、
前記コイル導体の両端は、前記第１非接触伝送システムの回路に接続され、
前記第１コイル部の両端は、前記第２非接触伝送システムの回路に接続され、
前記第２コイル部は、前記第１コイル部と少なくとも磁界を介して結合する、
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦＩＤシステム又は近距離無線通信システム等に用いられるアンテナ装置及びそれを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＮＦＣ（Near field Communication：近距離無線通信システム）などの１３．５６MHz帯RFIDシステムが搭載された携帯電話端末などの電子機器が増えてきている。また、ケーブルを接続する煩わしさを解消するために、磁気結合を利用した非接触給電システムが搭載された電子機器も増えてきている。これら２つのシステムを一つの電子機器に搭載した場合、２つのシステムそれぞれで用いるコイルを電子機器に設けることになる。しかしこの構成では、電子機器の小型化が阻害される。【０００３】
特許文献１には、一つのコイルをＮＦＣシステムと非接触給電システムとで兼用するデバイスが開示されている。特許文献１では、コイルの途中にスイッチを設けて、スイッチをオンすることで一つのコイルとして、非接触給電用コイルとして利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−９０１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の場合、アンテナサイズが相手側と大きく異なると、位置によっては結合が弱くなることがある。この場合、機器同士の結合が弱くなり、安定した通信を行えないおそれがある。【０００６】
そこで、本発明の目的は、伝送相手との結合を強めて、安定した通信を行うアンテナ装置及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のアンテナ装置は、第１非接触伝送システム及び第２非接触伝送システムで兼用されるコイル導体を備えたアンテナ装置において、前記コイル導体は、直列接続された第１コイル部と第２コイル部とを有し、前記コイル導体の両端は、前記第１非接触伝送システムの回路に接続され、前記第１コイル部の両端は、前記第２非接触伝送システムの回路に接続され、前記第２コイル部は、前記第１コイル部と少なくとも磁界を介して結合することを特徴とする。【０００８】
この構成では、第１非接触伝送システムでアンテナとして用いるコイル導体の一部（第２コイル部）を、第２非接触伝送システムでブースターアンテナとして用いることで、装置のサイズを大きくすることなく、伝送相手との結合を強めることができる。その結果、安定した通信を行える。【０００９】
前記アンテナ装置は、前記第１コイル部と共振回路を構成する第１キャパシタと、前記第２コイル部と共振回路を構成する第２キャパシタと、前記第１コイル部及び前記第２コイル部と共振回路を構成する第３キャパシタとを備える構成でもよい。【００１０】
前記第１コイル部は前記コイル導体の内周側であり、前記第２コイル部は前記コイル導体の外周側であることが好ましい。【００１１】
前記第１コイル部と前記第２コイル部とは、第１スイッチを介して直列接続されていることが好ましい。【００１２】
前記第１コイル部を前記第１非接触伝送システムの回路または前記第２非接触伝送システムの回路に選択的に接続する第２スイッチと、前記第２コイル部を前記第１非接触伝送システムの回路または前記第２キャパシタに選択的に接続する第３スイッチと、をさらに備える構成であってもよい。【００１３】
また、例えば、前記第１非接触伝送システムのキャリア周波数は、前記第２非接触伝送システムのキャリア周波数よりも低い。【００１４】
また、例えば、前記第１非接触伝送システムは磁界型非接触電力伝送システムであり、前記第２非接触伝送システムは磁界型非接触通信システムである。【００１５】
本発明の電子機器は、コイル導体を備えるアンテナ装置と、前記アンテナ装置に接続される第１非接触伝送システム用の回路と、前記アンテナ装置に接続される第２非接触伝送システム用の回路とを備える電子機器において、前記コイル導体は、直列接続された第１コイル部と第２コイル部とを有し、前記コイル導体の両端は、前記第１非接触伝送システムの回路に接続され、前記第１コイル部の両端は、前記第２非接触伝送システムの回路に接続され、前記第２コイル部は、前記第１コイル部と少なくとも磁界を介して結合することを特徴とする。【００１６】
この構成では、第１非接触伝送システムでアンテナとして用いるコイル導体の一部（第２コイル部）を、第２非接触伝送システムでブースターアンテナとして用いることで、機器のサイズを大きくすることなく、伝送相手との結合を強めることができる。その結果、安定した通信を行える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、装置（機器）のサイズを大きくすることなく、伝送相手との結合を強めることができ、伝送相手と安定した通信を行える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る電子機器が備える構成を示す図
【図２】図１の等価回路を示す図
【図３】第１スイッチが第１端と第２端とを接続した場合の回路図
【図４】第１スイッチが第２端と第３端とを接続した場合の回路図
【図５】電子機器がアンバランス型である場合の等価回路図
【図６】（Ａ）は、実施形態１に係る電子機器の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図、（Ｃ）は、（Ｂ）の破線領域内の拡大図
【図７】実施形態２に係る電子機器が備える構成を示す図
【図８】図７の等価回路を示す図
【図９】内周コイルと外周コイルとを接続する場合の回路図
【図１０】内周コイルと外周コイルとを分離する場合の回路図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電子機器が備える構成を示す図である。図２は、図１の等価回路を示す図である。電子機器は、例えばスマートフォン、タブレット端末、ノートＰＣ、カメラ、ゲーム機又は玩具等である。
【００２０】
電子機器はコイルアンテナ１０を備えている。コイルアンテナ１０は、平面視で矩形スパイラル状のコイル導体パターンである。図１では、コイルアンテナ１０は平面状に広がる構成（一層型のスパイラル構造）としているが、多層型のスパイラル構造であってもよい。コイルアンテナ１０は、内周コイル１１と外周コイル１２とが第１スイッチ１３を介して直列接続されて形成されている。内周コイル１１は、本発明に係る「第１コイル部」の一例である。外周コイル１２は、本発明に係る「第２コイル部」の一例である。
【００２１】
内周コイル１１は、平面視で矩形スパイラル状のコイル導体パターンである。内周コイル１１の内周端Ｅ１１は、コイルアンテナ１０の一端に相当し、内周コイル１１の外周端は第１スイッチ１３に接続されている。
【００２２】
外周コイル１２は、第１スイッチ１３を始点として、内周コイル１１の外側に、内周コイル１１と同方向に巻回された、平面視で矩形スパイラル状のコイル導体パターンである。外周コイル１２の外周端Ｅ２１は、コイルアンテナ１０の他端に相当する。
【００２３】
コイルアンテナ１０の一端（内周コイル１１の内周端Ｅ１１）は、キャパシタＣ１を介して、後述の第１システム用回路１の入出力端の一端に接続されている。コイルアンテナ１０の他端（外周コイル１２の外周端Ｅ２１）は第１システム用回路１の入出力端の他端に接続されている。キャパシタＣ１とコイルアンテナ１０（内周コイル１１及び外周コイル１２）とで共振回路を構成している。この共振回路の共振周波数は６．７８ＭＨｚ付近、又は１１０ｋＨｚ〜２０５ｋＨｚである。なお、キャパシタＣ１はコイルアンテナ１０に対して並列に接続されていてもよい。キャパシタＣ１は、本発明に係る「第３キャパシタ」の一例である。
【００２４】
内周コイル１１の両端は、後述の第２システム用回路２の入出力端に接続されている。内周コイル１１と第２システム用回路２との間にはキャパシタＣ２が接続されている。キャパシタＣ２と内周コイル１１とで共振回路を構成している。この共振回路の共振周波数は１３．５６ＭＨｚ付近である。キャパシタＣ２は、本発明に係る「第１キャパシタ」の一例である。
【００２５】
第１スイッチ１３は、図２に示すように、第１端Ｓ１１と、第２端Ｓ１２と、第３端Ｓ１３とを有するＳＰＤＴスイッチである。第１スイッチ１３は不図示の制御回路によりスイッチングされ、第２端Ｓ１２と、第１端Ｓ１１又は第３端Ｓ１３とを接続する。第１端Ｓ１１には内周コイル１１の外周端が接続され、第２端Ｓ１２には外周コイル１２の内周端が接続されている。第３端Ｓ１３は、キャパシタＣ３を介して、外周コイル１２の外周端Ｅ２１に接続されている。キャパシタＣ３は、本発明に係る「第２キャパシタ」の一例である。
【００２６】
図３は、第１スイッチ１３が第１端Ｓ１１と第２端Ｓ１２とを接続した場合の回路図である。図３の上図はコイルアンテナ１０の平面図であり、下図は等価回路である。第１スイッチ１３により、図３の上図及び下図に太線で示す回路が形成される。
【００２７】
この場合、内周コイル１１と外周コイル１２とが直列接続され、一つのコイルアンテナ１０が形成される。コイルアンテナ１０は、例えば電磁誘導電力伝送システム又は磁界共鳴電力伝送システム等の磁界型非接触電力伝送システムに使用される受電アンテナ、又は送電アンテナとして機能する。前記の第１システム用回路１は、非接触電力伝送システム用の送電回路、又は受電回路である。第１システム用回路１は半導体集積回路チップとして構成されている。
【００２８】
非接触電力伝送システムは、６．７８ＭＨｚ付近、又は１１０ｋＨｚ〜２０５ｋＨｚの周波数で用いられる。また、磁界型非接触電力伝送システムは磁界結合により電力伝送相手と結合して電力伝送を行う。この非接触電力伝送システムは、スマートフォン等の電子機器を充電するために使用される。
【００２９】
非接触電力伝送システムは本発明の「第１非接触伝送システム」の一例である。第１システム用回路１は、本発明に係る「第１非接触伝送システム用の回路」の一例である。
【００３０】
図４は、第１スイッチ１３が第２端Ｓ１２と第３端Ｓ１３とを接続した場合の回路図である。図４の上図はコイルアンテナ１０の平面図であり、下図は等価回路である。第１スイッチ１３により、図４の上図及び下図に太線で示す回路と、破線で示す回路とが形成される。
【００３１】
この場合、コイルアンテナ１０は、内周コイル１１と外周コイル１２とに分離される。内周コイル１１及び外周コイル１２は、それぞれがコイルアンテナとして機能する。
【００３２】
内周コイル１１は、例えば近距離無線通信システム等の通信システムに使用されるアンテナとして機能する。前記の第２システム用回路２は、ＮＦＣを用いた通信システム用の送電回路、又は受電回路である。第２システム用回路２は半導体集積回路チップとして構成されている。なお、第２システム用回路２は、第１システム用回路１と共に１チップＩＣとして構成されていてもよい。
【００３３】
近距離無線通信システムは、例えば、ＮＦＣを用いたシステム等である。近距離無線通信システムは、ＨＦ帯、特に１３．５６ＭＨｚ付近の周波数で用いられる。また、近距離無線通信システムは誘導磁界および誘導電流を利用した磁界結合により伝送相手と通信を行う。
【００３４】
ＮＦＣを用いた磁界型の非接触通信システムは本発明の「第２非接触伝送システム」の一例である。第２システム用回路２は、本発明に係る「第２非接触伝送システム用の回路」の一例である。
【００３５】
このように、第１非接触伝送システムのキャリア周波数（６．７８ＭＨｚ付近、又は１１０ｋＨｚ〜２０５ｋＨｚ）は、第２非接触伝送システムのキャリア周波数（１３．５６ＭＨｚ付近）よりも低い。
【００３６】
また、第１非接触伝送システムは磁界型非接触電力伝送システムであり、第２非接触伝送システムは磁界型非接触通信システムである。
【００３７】
外周コイル１２は、キャパシタＣ３とで共振回路を構成している。この共振回路の共振周波数は１３．５６ＭＨｚ付近である。外周コイル１２は、通信システムでアンテナとして使用される内周コイル１１と磁界結合又は電磁界結合（少なくとも磁界結合）して共振ブースターアンテナとして機能する。
【００３８】
このように、本実施形態に係る電子機器は、内周コイル１１と外周コイル１２とを直列接続することで、磁界型非接触電力伝送を行うことができる。また、電子機器は、コイルアンテナ１０が内周コイル１１と外周コイル１２とに分離されることで、磁界結合による通信も行うことができる。また、磁界結合通信の場合、外周コイル１２を共振ブースターアンテナとして作用させることで、内周コイル１１と伝送相手との結合が弱い場合であっても、通信感度を向上させることができる。その結果、安定した通信が可能となる。
【００３９】
さらに、磁界結合通信の場合、内周コイル１１及びキャパシタＣ２の共振回路（共振回路１）と、外周コイル１２及びキャパシタＣ３の共振回路（共振回路２）とが結合することで複共振化するため、広帯域に亘る通信が可能となる。このため、共振回路１の共振周波数と共振回路２の共振周波数は異なっていることが好ましい。
【００４０】
前記のコイルアンテナ１０、第１スイッチ１３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３からなる構成は、本発明に係る「アンテナ装置」の一例である。
【００４１】
なお、非接触電力伝送システムで用いられるコイルアンテナ１０、通信システムで用いられる内周コイル１１又は外周コイル１２に対して、共振回路を形成するためのキャパシタが並列接続又は直列接続されていてもよい。
【００４２】
また、本実施形態では、電子機器はバランス型の回路として説明しているが、アンバランス型回路であってもよい。
【００４３】
図５は、電子機器がアンバランス型である場合の等価回路図である。この場合、内周コイル１１の内周端Ｅ１１をグランドに接続している。
【００４４】
図６（Ａ）は、本実施形態に係る電子機器２００の平面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）の破線領域内の拡大図である。
【００４５】
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）で示す電子機器２００は、筐体２０１、コイルアンテナ１０、表示デバイス２０２、バッテリーパック２０３、回路基板２０４、第１システム用回路１及び第２システム用回路２などを備える。
【００４６】
筐体２０１は平面形状が矩形の直方体状である。図６（Ｂ）に示すように、筐体２０１の内部には、コイルアンテナ１０、表示デバイス２０２、バッテリーパック２０３、回路基板２０４、第１システム用回路１及び第２システム用回路２などが収納されている。筐体２０１は例えば樹脂製ケースであり、回路基板２０４は例えばプリント配線板であり、表示デバイス２０２は例えばＬＣＤパネルである。
【００４７】
筐体２０１の内側上面にはコイルアンテナ１０が貼付されている。コイルアンテナ１０は磁性体板２０５をさらに有している。磁性体板２０５は、コイルアンテナ１０のうち通信相手側の面とは反対面の全面に、つまり内周コイル１１と外周コイル１２に共通して、設けられている。磁性体板２０５は平面形状が矩形の薄板である。図６（Ｂ）に示すように、磁性体板２０５の表面に内周コイル１１及び外周コイル１２が形成されている。磁性体板２０５は、例えば磁性体フェライトセラミックのようなセラミック体の平板、又は、磁性体フェライト粉末が樹脂中に分散されたフェライト粉末入り樹脂平板である。なお、磁性体板２０５の平面形状は矩形に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００４８】
筐体２０１の下面には表示デバイス２０２が嵌め込まれている。表示デバイス２０２の表面にはバッテリーパック２０３及び回路基板２０４などが設けられている。回路基板２０４の主面には、ＩＣチップ、コンデンサチップ等が実装されて第１システム用回路１及び第２システム用回路２が構成されている。第１システム用回路１は、図示しない可動式プローブピン又はフレキシブルケーブルなどを介して内周コイル１１に接続され、第２システム用回路２は、図示しない可動式プローブピン又はフレキシブルケーブルなどを介して外周コイル１２に接続される。
【００４９】
この構成により、内周コイル１１と外周コイル１２との相互作用（干渉）を抑制したコイルアンテナ１０を備えた電子機器を実現できる。
【００５０】
なお、本実施形態では携帯端末として説明しているが、据え置き型の電子機器であってもよい。この場合、非接触電力伝送システムにおいては、その電子機器は送電側となる。
【００５１】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係る電子機器が備える構成を示す図である。図８は、図７の等価回路を示す図である。この例では、コイルアンテナ１０と第１システム用回路１との間に第２スイッチ１４，１５が設けられている点で、実施形態１と相違する。
【００５２】
第２スイッチ１４は、第１端Ｓ２１と、第２端Ｓ２２又は第３端Ｓ２３とを接続するＳＰＤＴスイッチである。第２スイッチ１４は不図示の制御回路によりスイッチングされる。第１端Ｓ２１には内周コイル１１の内周端Ｅ１１が接続され、第２端Ｓ２２はキャパシタＣ１を介して、第１システム用回路１の入出力端の一端に接続される。第３端Ｓ２３は、第２システム用回路２の入出力端の一端に接続されている。
【００５３】
第３スイッチ１５は、第１端Ｓ３１と、第２端Ｓ３２又は第３端Ｓ３３とを接続するＳＰＤＴスイッチである。第３スイッチ１５は不図示の制御回路によりスイッチングされる。第１端Ｓ３１には外周コイル１２の外周端Ｅ２１が接続され、第２端Ｓ３２は、第１システム用回路１の入出力端の他端に接続される。第３端Ｓ３３は、キャパシタＣ３を介して、第１スイッチ１３の第３端Ｓ１３に接続されている。
【００５４】
図９は、内周コイル１１と外周コイル１２とを接続する場合の回路図である。
【００５５】
この例では、第１スイッチ１３は第１端子Ｓ１１と第２端子Ｓ１２とを接続する。第２スイッチ１４は第１端子Ｓ２１と第２端子Ｓ２２とを接続する。第３スイッチ１５は第１端子Ｓ３１と第２端子Ｓ３２とを接続する。この場合、コイルアンテナ１０を、磁界型非接触電力伝送システムのアンテナとして使用する際に、磁界型非接触電力伝送システム用の回路と、通信システム用の回路とを第２スイッチ１４により分離できる。これにより、通信システム用の回路による影響を受けずに、磁界型非接触電力伝送を行える。
【００５６】
図１０は、内周コイル１１と外周コイル１２とを分離する場合の回路図である。
【００５７】
この例では、第１スイッチ１３は第２端子Ｓ１２と第３端子Ｓ１３とを接続する。第２スイッチ１４は第１端子Ｓ２１と第３端子Ｓ２３とを接続する。第３スイッチ１５は第１端子Ｓ３１と第３端子Ｓ３３とを接続する。この場合、内周コイル１１を通信システムのアンテナとして使用し、外周コイル１２を共振ブースターアンテナとして使用する際に、磁界型非接触電力伝送システム用の回路と、通信システム用の回路とを第２スイッチ１４、第３スイッチ１５により分離できる。これにより、磁界型非接触電力伝送システム用の回路による影響を受けずに、磁界結合通信を行える。
【００５８】
以上に示した幾つかの実施形態では、内周側に形成されるコイル１１と外周側に形成されるコイル１２により構成されるコイルアンテナ１０の例を示したが、コイルアンテナ１０を略同径のコイル１１とコイル１２との２層構造としてもよい。これにより、コイルアンテナ１０の占有面積を削減でき、電子機器への実装が容易となる。
【００５９】
また、以上に示した幾つかの実施形態では、第１システム用回路と第２システム用回路の２つのシステムに接続されるアンテナ装置の例を示したが、３つ以上の複数のシステム用回路と接続して構成してもよい。これにより、２つのシステムの２段切り替えに限らず、システムを多段的に切り替え可能なアンテナ装置を構成できる。その場合、システム用回路のうちの少なくとも２つは本発明の第１システム用回路及び第２システム用回路に相当し、接続されるコイルアンテナは本発明の第１コイル部と第２コイル部に相当する部分を含むことで、本発明の作用効果を奏する。
【符号の説明】
【００６０】
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…キャパシタ
Ｅ１１…第１端
Ｅ１２…第２端
Ｅ２１…第１端
Ｅ２２…第２端
１…第１システム用回路
２…第２システム用回路
４…制御回路
１０…コイルアンテナ
１１…内周コイル
１２…外周コイル
１３…第１スイッチ
１４…第２スイッチ
１５…第３スイッチ
２００…電子機器
２０１…筐体
２０２…表示デバイス
２０３…バッテリーパック
２０４…回路基板
２０５…磁性体板
【図１】
2017122499.tif 000003
【図２】
2017122499.tif 000004
【図３】
2017122499.tif 000005
【図４】
2017122499.tif 000006
【図５】
2017122499.tif 000007
【図６】
2017122499.tif 000008
【図７】
2017122499.tif 000009
【図８】
2017122499.tif 000010
【図９】
2017122499.tif 000011
【図１０】
2017122499.tif 000012
【国際調査報告】
2017122499.tif 000013
2017122499.tif 000014