(57)【要約】【課題】  数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波帯域において電力伝送と多様な通信に対応でき、安定した電力伝送機能を有し、同時に、充電時にアンテナから送電装置の外部に放射される放射ノイズを低減できるアンテナ並びにそのアンテナを用いた送電装置および受電装置を提供すること。【解決手段】  アンテナを介して送電装置と受電装置との間で非接触の電力伝送及び通信を行う非接触電力伝送及び通信システムに使用されるアンテナであって、第１の端子１３と、第１の端子１３を一端として右回りに巻かれた第１の平面コイル１１と、第１の平面コイル１１の終端に設けた第２の端子１４と、第２の端子１４を一端として左回りに巻かれた第２の平面コイル１２と、第２の平面コイル１２の終端に設けた第３の端子１５とからなる複合平面コイル１０を有している。【選択図】図１
2012105451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナを介して送電装置と受電装置との間で非接触の電力伝送及び通信を行う非接触電力伝送及び通信システムに使用されるアンテナであって、第１の端子と、前記第１の端子を一端として右回りに巻かれた第１の平面コイルと、前記第１の平面コイルの終端に設けた第２の端子と、前記第２の端子を一端として左回りに巻かれた第２の平面コイルと、前記第２の平面コイルの終端に設けた第３の端子とからなる複合平面コイル、または、第１の端子と、前記第１の端子を一端として左回りに巻かれた第１の平面コイルと、前記第１の平面コイルの終端に設けた第２の端子と、前記第２の端子を一端として右回りに巻かれた第２の平面コイルと、前記第２の平面コイルの終端に設けた第３の端子とからなる複合平面コイルを有することを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記複合平面コイルの片面に、磁性材料からなるヨークが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記複合平面コイルの片面に、電磁波を遮断する遮蔽板が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記複合平面コイルが複数個配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナを用いたことを特徴とする送電装置。
【請求項６】
前記受電装置との間で非接触の通信を行う場合、前記第１の平面コイル及び前記の第２の平面コイルに流れる電流の向きが、共に右回り、または共に左回りとなるように設定されることを特徴とする請求項５に記載の送電装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナを用いたことを特徴とする受電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置と受電装置間で非接触の電力伝送を行うシステムに係り、特に携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の携帯機器に備える受電装置や、その受電装置への非接触の給電または充電を行う送電装置に好適なアンテナ並びにそのアンテナを用いた送電装置および受電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導を利用した非接触電力伝送システムにおいては、充電装置側の送電装置および携帯機器などの受電側の受電装置にそれぞれコイルを設置して、それらのコイル間の電磁誘導により電力伝送が行われている。非接触ＩＣカードなどの薄型の非接触情報記録媒体とリーダライタとの間や、小型の携帯機器と送電装置との間では、単純な平面コイルが送受電用およびデータ通信用のアンテナとして用いられ、実用化されている。図５は従来の平面コイルによるアンテナの一例を示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図である。コイルヨークとなる磁性体基板２４上に、導線パターンからなる平面コイル２３が形成されている。
【０００３】
しかしながら、アンテナとして図５に示すような単純な平面コイルを用いた場合、アンテナが搭載された送電装置や受電装置の外部の環境の影響を受けやすいという問題がある。外部環境により送受電を行う場合に損失が生じたり、外部からのノイズを受けやすいため、電力供給が安定しないことや通信が安定しないという問題があった。このため、安定した電力供給を行うためには、周囲の環境によらず安定した電力伝送機能を有するアンテナを実現することが必要である。
【０００４】
また、充電等の電力送電動作を行う場合には、アンテナから大きな電力で磁場を発生させるため、その磁場により周囲へノイズを放射する問題があり、これを防ぐためにはアンテナから放射される磁束の広がりを出来るだけ小さな範囲内に収める必要がある。アンテナからの磁束の広がりを小さくすることにより外部環境の影響を受けにくくし、安定した電力伝送機能を実現する効果も得られる。
【０００５】
上述したような課題に対し、受電装置との電磁結合効率を高めるため、充電器のアンテナからの磁束の広がりを小さく抑えたアンテナ構成が特許文献１に記載されている。図６は特許文献１に記載されたコイルアンテナの斜視図を示し、図７は特許文献１に記載された充電器と電子時計内部の受電装置側との電磁結合を示す構成図である。
【０００６】
図６に示すように、特許文献１では電子時計の充電器において、コイルヨーク４２上に一対の充電コイル４０、４１を配置し、その２つの充電コイルに互いに逆向きの電流を流すことにより、形成される磁場の向きが反転するように構成する。これにより、図７に示すように、電子時計４５の受電コイル４６との間の電磁結合により充電する際の磁束の漏れを小さくし、充電効率を高くしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−２３７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
小型の携帯機器の電力伝送とデータ通信の共用に用いられるアンテナにおいては、送受電装置のアンテナ間の電磁結合を介して非接触電力伝送が可能であると同時に、ＲＦＩＤ等で通常用いられる１３．５６ＭＨｚ帯域の通信にも適用できることが必要である。すなわち、この目的のアンテナは、小型化、薄型化でき、高周波帯域において低損失でなければならない。
【０００９】
また、先に述べたように、数Ｗ以上の電力を送る場合には、アンテナから携帯機器の内部へ放射される放射ノイズが大きいと携帯機器が誤作動する懸念があるため、放射ノイズを抑えるため、アンテナからの磁束の漏れは小さいことが望ましい。
【００１０】
しかしながら、図６に記載の従来の充電装置のコイルアンテナは、上述したような高周波帯域における電力伝送には使用できない。１ｋＨｚ程度の周波数での充電のみを目的としているので、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波帯域で使用する場合、特許文献１に記載されているような充電効率の改善効果が得られない。また、図６のコイルアンテナは高周波帯域の通信にも適用することはできない。小型の携帯機器の送電用または受電用のアンテナ、さらには通信用のアンテナとして用いるためには両装置ともに平面コイルアンテナであることが望ましく、コイルヨークも高周波帯域で損失が少ない適切な材料を選択する必要がある。
【００１１】
また、市販されている多くの種類のリーダーライタにも適用できることが望ましい。すなわち、多種多様な非接触通信記録媒体として使用されているＲＦＩＤ用のタグやＩＣカードに使用されているアンテナとの間の通信が可能なアンテナ構成とできることが望ましい。
【００１２】
本発明は、上記の従来技術の問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波帯域において、非接触の電力伝送と多様な通信に対応でき、安定した電力伝送機能を有し、同時に、充電時にアンテナから送電装置の外部に放射される放射ノイズを低減できるアンテナ並びにそのアンテナを用いた送電装置および受電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明によるアンテナは、アンテナを介して送電装置と受電装置との間で非接触の電力伝送及び通信を行う非接触電力伝送及び通信システムに使用されるアンテナであって、第１の端子と、前記第１の端子を一端として右回りに巻かれた第１の平面コイルと、前記第１の平面コイルの終端に設けた第２の端子と、前記第２の端子を一端として左回りに巻かれた第２の平面コイルと、前記第２の平面コイルの終端に設けた第３の端子とからなる複合平面コイル、または、第１の端子と、前記第１の端子を一端として左回りに巻かれた第１の平面コイルと、前記第１の平面コイルの終端に設けた第２の端子と、前記第２の端子を一端として右回りに巻かれた第２の平面コイルと、前記第２の平面コイルの終端に設けた第３の端子とからなる複合平面コイルを有することを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記複合平面コイルの片面に、磁性材料からなるヨークが配置されていてもよく、または、前記複合平面コイルの片面に、電磁波の遮蔽板が配置されていてもよい。
【００１５】
また、前記複合平面コイルが複数個配置されていてもよい。
【００１６】
本発明による送電装置は、前記の本発明によるアンテナを用いたことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記受電装置との間で非接触の通信を行う場合、前記第１の平面コイル及び前記の第２の平面コイルに流れる電流の向きが、共に右回り、または共に左回りとなるように設定されてもよい。
【００１８】
本発明による受電装置は、前記の本発明によるアンテナを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
送電装置および受電装置において本発明によるアンテナを使用し、両装置間のアンテナを対向して送電装置からの電力伝送を行う場合、電流が複合平面コイルの第１の端子から第２の端子を通って第３の端子へ流れるように設定して使用することで、アンテナから発生する磁束は、複合平面コイルを構成する２つのコイル内を互いに逆向きに通り抜け、受電装置側の複合平面コイルを構成する２つのコイル内を通って回転する方向に磁束が生じる。このため、磁束はアンテナ近傍にのみ集中して発生するので、外部への放射ノイズが抑制され、周辺の電子機器の誤作動を防止することができる。送電装置または受電装置からのデータ伝送を行う場合にも大きさは小さいが同様な向きの磁場が形成され、通信が行われる。
【００２０】
また、本発明によれば、リーダライタなどの送電側装置に本発明のアンテナを用い、通信時において、電流が第１の端子および第３の端子から第２の端子へ流れるように、または、第２の端子から第１の端子および第３の端子へ流れるように使用することで、２つのコイルから発生する磁束の向きが同じ方向となり、一般に用いられているＲＦＩＤ用の情報記録媒体との間での通信が可能となる。
【００２１】
また、本発明のアンテナにおいて、複合平面コイルの背面に磁性材料からなるヨークを配置することによって、アンテナから発生する磁束をさらに狭い領域に閉じ込め、電力伝送効率のさらなる向上と放射ノイズのさらなる低減を図ることができる。また、複合平面コイルの背面に、電磁波の遮蔽板を配置することによっても放射ノイズのさらなる低減を図ることができる。
【００２２】
以上のように、本発明により、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波帯域において、非接触の電力伝送と多様な通信に対応でき、安定した電力伝送機能を有し、同時に、充電時にアンテナから送電装置の外部に放射される放射ノイズを軽減できるアンテナ、およびそのアンテナを用いた送電装置および受電装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるアンテナの第１の実施の形態の構成を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図。
【図２】本発明によるアンテナの動作を説明する模式図であり、図２（ａ）は、本実施の形態のアンテナを送電装置側と受電装置側にそれぞれ配置して互いに対向させ、送電装置の複合平面コイルの第１の端子と第３の端子間に電流を流した場合の磁束の流れを示す正面から見た模式図、図２（ｂ）は、本実施の形態のアンテナを送電装置側に配置し、第１の平面コイル及び第２の平面コイルに流れる電流の向きが共に左回りとなるように設定し、受電装置側にＦＲＩＤ用のアンテナを対向して配置したときの磁束の流れを示す正面から見た模式図。
【図３】電力伝送時にアンテナから発生する磁束の分布のシミュレーション結果を示す図であり、図３（ａ）は本発明のアンテナによる結果を示す図、図３（ｂ）は従来のアンテナによる結果を示す図。
【図４】本発明によるアンテナの第２の実施の形態の構成を示す平面図。
【図５】従来の平面コイルによるアンテナの一例を示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図。
【図６】特許文献１に記載されたコイルアンテナの斜視図。
【図７】特許文献１に記載された充電器と電子時計内部の受電装置側との電磁結合を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明によるアンテナの第１の実施の形態の構成を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。図１に示すように、本実施の形態のアンテナは、アンテナを介して送電装置と受電装置との間で非接触の電力伝送及び通信を行う非接触電力伝送及び通信システムに使用されるアンテナであって、第１の端子１３と、第１の端子１３を一端として右回りに巻かれた第１の平面コイル１１と、第１の平面コイル１１の終端に設けた第２の端子１４と、第２の端子１４を一端として左回りに巻かれた第２の平面コイル１２と、第２の平面コイル１２の終端に設けた第３の端子１５とからなる複合平面コイル１０を有している。
【００２６】
複合平面コイル１０は、導体線のパターンを用いてＦＰＣ基板やＦＲ−４基板等の平面基板１６上に作製される。もしくは、複合平面コイル１０を巻き線で作製することもできる。また、第１の平面コイル１１と第２の平面コイル１２は同じ口径、同じ巻数のコイルであって、同程度の磁束が発生するように調整されていることが望ましい。
【００２７】
また、本実施の形態のアンテナでは、複合平面コイル１０の背面（本実施の形態では平面基板の背面）に、磁性材料からなるヨーク１７が配置されている。
【００２８】
この磁性材料としては、ＮｉＺｎフェライト等の高周波帯域でも低損失である材料が望ましい。また、複数の異なる透磁率を持った磁性材料を組み合わせた複合材でもよい。
【００２９】
また、ヨーク１７の背面に、さらに、電磁波の遮蔽板となるシールド材を配置しても良い。
【００３０】
次に、本実施の形態のアンテナの具体的な一実施例について説明する。
【００３１】
図１において、第１の平面コイル１１、第２の平面コイル１２はそれぞれ、外形が２０ｍｍ×２０ｍｍの中に収まり、コイルの巻線のパターン幅を０．７ｍｍ、コイルの巻線の間隙を０．３ｍｍ、巻数を３ターンとして形成し、第１の平面コイル１１と第２の平面コイル１２を直列に接続した複合平面コイル１０を、外形が４０ｍｍ×２０ｍｍのＦＰＣ基板上に形成した。
【００３２】
ヨーク１７はＮｉＺｎフェライトを用い、外形が４０ｍｍ×２０ｍｍで厚みを０．３ｍｍとした。
【００３３】
次に本実施の形態のアンテナについて，その動作を説明する。図２は、本発明によるアンテナの動作を説明する模式図で、図２（ａ）は、第１の実施の形態のアンテナを送電装置側と受電装置側にそれぞれ配置して互いに対向させ、送電装置の複合平面コイルの第１の端子と第３の端子間に電流を流した場合の磁束の流れを示す正面から見た模式図である。図２（ａ）の矢印で示したとおり、送電装置側のアンテナ３１において発生する磁束は、第１の平面コイル１１からヨーク１７へ、ヨーク１７から第２の平面コイル１２へと進み、さらに磁束は、第２の平面コイル１２から対向する受電装置側のアンテナ３２の第１の平面コイル３６へ進み、ヨーク１７を通って第２の平面コイル３７を通過し、送電装置側の第１の平面コイル１１へ、というように回転する方向に発生する。
【００３４】
また、図２（ｂ）は、第１の実施の形態のアンテナを送電装置側に配置し、第１の平面コイル１１及び第２の平面コイル１２に流れる電流の向きが共に左回りとなるように設定し、受電装置にＲＦＩＤ用のアンテナを対向して配置したときの磁束の流れを示す正面から見た模式図である。すなわち、図１において、第２の端子１４から第１の端子１３および第３の端子１５へと電流が流れるように使用している。この場合、図２（ｂ）に示したとおり、第１の平面コイル１１と第２の平面コイル１２から出る磁束が同じ向きとなり、矢印のようにＲＦＩＤ用のアンテナ３３の方向へ発生する。従って、ＲＦＩＤ用の非接触通信媒体との通信を行う場合に使用されるアンテナと同様の磁束分布を得ることができる。
【００３５】
本実施の形態のアンテナを、送電装置と受電装置の両方に使用した場合の電力伝送効率は９０％であった。従来の構成のアンテナでは電力伝送効率は９１％であったので、本実施の形態のアンテナと従来のアンテナを比較すると、本実施の形態のアンテナは従来と同等の効率を得ることができることがわかる。ただし、本実施の形態のアンテナでは、以下の述べるように、アンテナから発生する磁束を狭い領域に閉じ込めることができ、充電時にアンテナから送電装置の外部に放射される放射ノイズを従来のアンテナに比べて低減できる。
【００３６】
図３は、電力伝送時にアンテナから発生する磁束の分布のシミュレーション結果を示す図である。図３（ａ）は本発明のアンテナによる結果を示す図、図３（ｂ）は従来のアンテナによる結果を示す図である。それぞれ、送電装置と受電装置に同じアンテナを対向して配置した場合の磁束分布を示す。すなわち、図３（ａ）は、本発明の送電装置側のアンテナ３１、受電装置側のアンテナ３２を図２（ａ）と同様に配置し、図３（ｂ）では図５に示すような従来のアンテナ３４、３５を対向して配置した場合である。図３より明らかなように、従来のアンテナ３４、３５ではヨークからの漏れ磁束が大きいのに対し、本発明の送電装置側のアンテナ３１、受電装置側のアンテナ３２は漏れ磁束が減少していることがわかる。これは、本発明のアンテナが、従来のアンテナに比べて、アンテナから発生するノイズを減少させるとともに、外部環境がアンテナへ与える影響を軽減する効果があることを示している。充電中のアンテナの背面へ回路基板等の金属板を近づけると、従来のアンテナでは８％効率が低下し、電力伝送効率は８３％となったが、本実施の形態のアンテナでは効率の低下は４％であり、電力伝送効率は８６％に留まった。
【００３７】
図４は、本発明によるアンテナの第２の実施の形態の構成を示す平面図である。本実施の形態のアンテナは、図１に示した第１の実施の形態のアンテナを単位アンテナとして、この単位アンテナを図４に示すように、縦、横３列ずつ、合計９個配置して構成されている。ここでは、単位アンテナの配置数は９個となっているが、配置数は２以上の任意の値とすることができ、また、単位アンテナの配列方法も任意に設計可能である。
【００３８】
本実施の形態のアンテナは送電装置、受電装置のいずれにも適用でき、受電装置の単位アンテナ数を送電装置よりも少なくすることも可能である。
【００３９】
本実施の形態のアンテナを送電装置に使用した場合、送電装置の最大送電電力はアンテナを構成している単位アンテナの数で調整可能である。例えば、単位アンテナ１個あたり１Ｗの電力を送電できるとすれば、単位アンテナ９個から構成される送電装置は、最大９Ｗまで送電可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態のアンテナを用いた送電装置は、合計送電電力が最大送電電力以下であれば、同時に複数の受電装置への電力伝送も可能である。
【００４１】
また、受電装置の最大受電電力はアンテナを構成している単位アンテナの数で調整可能である。例えば、単位アンテナ１個あたり１Ｗの電力を受電できるとすれば、単位アンテナ４個から構成される受電装置は、最大４Ｗまで受電可能となる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、部材や構成、各部の形状などの変更が可能である。例えば、アンテナの構成は図１に示したものに限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    複合平面コイル
１１、３６    第１の平面コイル
１２、３７    第２の平面コイル
１３    第１の端子
１４    第２の端子
１５    第３の端子
１６    平面基板
１７    ヨーク
２３    平面コイル
２４    磁性体基板
３１    送電装置側のアンテナ
３２    受電装置側のアンテナ
３３    ＲＦＩＤ用のアンテナ
３４、３５    従来のアンテナ
４０、４１    充電コイル
４２    コイルヨーク
４５    電子時計
４６    受電コイル
【図１】
2012105451.tif 000003
【図２】
2012105451.tif 000004
【図３】
2012105451.tif 000005
【図４】
2012105451.tif 000006
【図５】
2012105451.tif 000007
【図６】
2012105451.tif 000008
【図７】
2012105451.tif 000009