JP2012235050A

JP2012235050A - アンテナ、送電装置および非接触電力伝送システム

Info

Publication number: JP2012235050A
Application number: JP2011104276A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oka; 利昭岡
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-29

Abstract

【課題】高周波においても、高効率かつ広範囲に電力伝送を行うことが可能なアンテナ、そのアンテナを利用した送電装置および非接触電力伝送システムを提供すること。
【解決手段】第１のコイル１１と、第１のコイル１１に並置され、第１のコイル１１に並列に接続された第２のコイル１２とから構成され、第２のコイル１２は直列に挿入されたコンデンサ１３と抵抗器１４とを有している。第２のコイル１２は、コンデンサ１３の容量によってアンテナの駆動周波数に共振周波数が一致するように調整されている。また、駆動周波数において、第１のコイル１１のインピーダンスの絶対値をＺ１、第２のコイル１２のインピーダンスの絶対値をＺ２とするとき、０．８≦Ｚ２／Ｚ１≦１．２となるように抵抗器１４の値が調整され、さらに、駆動周波数において、第１のコイル１１と第２のコイルとの間の励磁電流の位相差が４５°〜９０°の範囲内となるように調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、送受アンテナ間の電磁誘導を利用して信号の送受信や電力の送受電を行う非接触通信システムや非接触電力伝送システムにおいて使用されるアンテナ、そのアンテナを使用した送電装置および非接触電力伝送システムに関する。

電磁誘導を利用して電力の送受電を行う非接触電力伝送システムでは、送電装置側に設置されたコイルからなるアンテナと、受電装置側に設置されたコイルからなるアンテナとを近接させ、対向させて配置する。一般的に、非接触電力伝送システムでは、複数の受電装置に同時に送電することや、受電装置のアンテナ位置に対する許容度を大きくすることなどを目的に、送電範囲を拡大することが要求される。

従来、送電範囲を拡大する手段として、コイルを複数個並べて送電装置側のアンテナを構成する方法が知られている。しかし、複数個のコイルから構成されたアンテナでは、各コイルを同位相で駆動すると、隣り合うコイル間の干渉によって送電効率が低下してしまうという問題がある。

このコイル間の干渉を避ける方法が特許文献１に開示されている。図５は、特許文献１に示された方法による従来の送電装置側のアンテナを示す図であり、図５（ａ）はアンテナを構成するコイル部分の斜視図、図５（ｂ）はアンテナの等価回路と駆動回路との接続を示す図である。図５（ａ）のように、送電装置側のアンテナ２０は、隣接して並置された平面コイル２１と平面コイル２２とで構成され、それらの平面コイル２１、平面コイル２２にはそれぞれ、給電端子２５、給電端子２６が接続される。また、図５（ｂ）のように、給電端子２５、給電端子２６は駆動回路２３に接続され、駆動回路２３により、それぞれの励磁電流の位相が制御されて駆動される。特許文献１によれば、隣接コイル間の励磁電流の位相差を４５°〜１３５°又は２２５°〜３１５°とすることにより、広い範囲で安定した電力伝送が実現できるとしている。

特開２００９−２５２９７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたシステムは、周波数１ＭＨｚ以下での電力伝送を目的としており、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）で一般的に使用される１３．５６ＭＨｚに代表される数ＭＨｚ帯域以上の高周波で使用する場合、回路側で位相制御するのは困難となり、回路構成が複雑となる。また、高周波では位相制御を行う回路内での損失が増加し、送電効率が却って低下してしまうという課題があった。

そこで、本発明は、高周波においても、高効率かつ広範囲に電力伝送を行うことが可能なアンテナ、そのアンテナを利用した送電装置および非接触電力伝送システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナは、第１のコイルと、前記第１のコイルに並置され、前記第１のコイルに並列に接続された第２のコイルとから構成され、前記第２のコイルは当該コイルのコイル配線に直列に挿入されたコンデンサと抵抗器とを有し、駆動周波数において、前記第１のコイルのインピーダンスの絶対値をＺ１、前記第２のコイルのインピーダンスの絶対値をＺ２とするとき、０．８≦Ｚ２／Ｚ１≦１．２となり、かつ、前記第１のコイルと前記第２のコイルの励磁電流の位相差が４５°〜９０°の範囲内となる複合アンテナを有することを特徴とする。

ここで、前記複合アンテナを複数個並置して構成され、一の複合アンテナを構成する第１のコイルに隣接して、他の複合アンテナを構成する第２のコイルが配置されていてもよい。

また、前記複合アンテナの片面に近接して磁性体が配置されていてもよく、前記複合アンテナの片面に近接して電磁波を遮蔽する遮蔽板が配置されていてもよい。

また、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、いずれも平面コイルであることが望ましい。

本発明の送電装置は、非接触電力伝送システムに用いる送電装置であって、上記の本発明によるアンテナを電力送電用のアンテナとして用いたことを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送システムは、上記の本発明によるアンテナを備えることを特徴とする。

本発明によるアンテナは、上記のように、第２のコイルにコンデンサと抵抗器を直列に挿入すること、およびそのコンデンサの容量と抵抗器の抵抗値を調整することによって、位相制御手段をアンテナを構成する第２のコイルに持たせている。さらに、第２のコイルでインピーダンス調整を行うことにより、第１のコイルによる励磁と第２のコイルによる励磁を均一化し、広範囲で均一な送電を可能としている。これにより従来のように駆動回路内での位相制御が不要となり、位相制御のための回路内での損失がなく、高周波で使用する場合においても、効率よく最適な位相差で２つのコイルを駆動をすることができる。

以上のように、本発明によれば、高周波においても、高効率かつ広範囲に電力伝送を行うことが可能なアンテナ、そのアンテナを利用した送電装置および非接触電力伝送システムが得られる。

本発明によるアンテナの第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）はアンテナを構成するコイル部分の斜視図、図１（ｂ）はアンテナの等価回路と送電回路との接続を示す図。本発明によるアンテナの第１のコイルと第２のコイルとの間の励磁電流の位相差と、両コイル間の磁場干渉による磁場強度の劣化との関係を示す図。本発明によるアンテナの第２の実施の形態を示す図であり、アンテナを構成するコイル部分の斜視図。本発明による実施例のアンテナの磁界強度分布の計算結果を示す図であり、図４（ａ）は駆動電流の位相が０°となったときの分布、図４（ｂ）は駆動電流の位相が９０°となったときの分布。従来の送電装置側のアンテナを示す図であり、図５（ａ）はアンテナを構成するコイル部分の斜視図、図５（ｂ）はアンテナの等価回路と駆動回路との接続を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明によるアンテナの第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）はアンテナを構成するコイル部分の斜視図、図１（ｂ）はアンテナの等価回路と送電回路との接続を示す図である。図１において、第１の実施の形態のアンテナ１０は、第１のコイル１１と、第１のコイル１１に並置され、第１のコイル１１に並列に接続された第２のコイル１２とから構成され、第２のコイル１２は当該コイルのコイル配線中に直列に挿入されたコンデンサ１３と抵抗器１４とを有している。図１（ａ）に示すように、本実施の形態においては、第１のコイル１１および第２のコイル１２はいずれも平面コイルであり、各平面コイルのコイル配線パターンに連続して両コイルを並列に接続するための配線パターンが形成されている。さらに、送電回路１５との接続のために１つの給電端子１６が設けられている。

第２のコイル１２は、コイルのインダクタンスとコンデンサ１３の容量によってアンテナの駆動周波数に共振周波数が一致するように調整されている。また、駆動周波数において、第１のコイル１１のインピーダンスの絶対値をＺ１、第２のコイル１２のインピーダンスの絶対値をＺ２とするとき、０．８≦Ｚ２／Ｚ１≦１．２となるように抵抗器１４の抵抗値が調整されている。第１のコイル１１と第２のコイル１２のインピーダンスに大きな差が生じると、コイルに流れる電流がインピーダンスの小さい方のコイルに偏ってしまい、一様なコイル励磁ができなくなるからである。さらに、第２のコイル１２においては、コイルのインダクタンス、コンデンサ１３の容量、抵抗器１４の抵抗値の調整により、駆動周波数において、第１のコイル１１との間の励磁電流の位相差が４５°〜９０°の範囲内となるように調整されている。

図２は本発明によるアンテナの第１のコイルと第２のコイルとの間の励磁電流の位相差と、両コイル間の磁場干渉による磁場強度の劣化との関係を示す図である。すなわち、第２のコイル１２がない場合に第１のコイル１１が発生する磁場強度を１００％として、第２のコイル１２がある場合にその影響による第１のコイル１１が発生する磁場強度の低下を示した図である。第１のコイル１１と第２のコイル１２間の位相差が０°の場合に、両コイル間の磁場干渉が最も大きく、磁場強度の１０％の低下が見られること、および第２のコイル１２の位相を変化させることで、磁場干渉の影響を低減することができることが示されている。特に、両コイル間の位相差が４５°以上であれば、磁場干渉の影響を７％以下に抑えることができ、６０°の場合には５％以下、さらに９０°の場合には、磁場干渉の影響を無視できるほど小さくすることができる。

本実施の形態によるアンテナ１０の第１のコイル１１及び第２のコイル１２は、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）やＦＲ−４（ガラスエポキシ基板）等の平面基板上に金属膜、金属箔や金属薄板などをエッチングなどの方法によりパターン化して作製することができる。また、平面基板上に金属線の巻き線で形成したコイルを配置して作製することもできる。

また、第１のコイル１１と第２のコイル１２との並列接続は、図１（ａ）ではコイル配線と一体化した配線パターンで接続しているが、コイル配線パターンとは別の配線で両コイル間の結線を行ってもよい。また、コンデンサ１３と抵抗器１４は、図１（ａ）ではコイル配線パターンの途中に挿入しているが、コイル配線パターンの始点または終点から直列にコンデンサと抵抗器を接続してもよい。

第１のコイル１１と第２のコイル１２の配置方法としては、両コイルの一部を重ねて配置することもできる。但しこの場合、第１のコイルと第２のコイルの結合係数が０となるような配置が好ましい。

第２のコイル１２に接続されたコンデンサ１３は、主として、第２のコイルの共振周波数が目的の共振周波数となるように調整することができればよく、コンデンサ１３の容量のほか、第２のコイル１２のコイルパターンに付随して生じた容量成分を含めて調整に利用することができる。

本実施の形態のアンテナ１０において、アンテナ１０が形成された基板の片面に近接して磁性体を配置してもよい。これにより、アンテナの効率や指向性などを向上させることができる。この場合の磁性体としては、例えば、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金及び軟磁性フェライト等の軟磁性体を使用でき、この中の一種類もしくは、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を使用することもできる。

また、アンテナ１０が形成された基板の片面に近接して電磁波を遮蔽する遮蔽板、すなわちシールド板を配置してもよい。上述のように磁性体を配置している場合には、更にその外側にシールド板を配置すればよい。シールド板としては、例えば、板状又はシート状のものを用いることができる。

第２のコイル１２に接続された抵抗器１４は、主として、第１のコイルと第２のコイルとの間のインピーダンス整合をとることができればよく、抵抗器１４の抵抗値のほかに、コイル巻き数を変えることによる抵抗成分の増減、コイルの背面に貼り付けた磁性体の鉄損、もしくはシールド板の渦損失による抵抗成分をその調整に利用することもできる。

図３は、本発明によるアンテナの第２の実施の形態を示す図であり、アンテナを構成するコイル部分の斜視図である。本実施の形態のアンテナ５０は、２つの第１の実施の形態によるアンテナ５１と５２とを並置して構成されている。ここで、アンテナ５１の第１のコイル５３に隣接して、アンテナ５２の第２のコイル５６が配置され、アンテナ５１の第２のコイル５４に隣接して、アンテナ５２の第１のコイル５５が配置されるように構成されている。

このように配置することにより、隣り合うコイルが同位相とならないため、磁場干渉の影響を抑えることができる。

本実施の形態のように、第１の実施の形態のアンテナを複数個配置することで、電力伝送効率を低下させることなく、電力伝送が行える範囲をさらに拡大することができる。さらに、配置する第１の実施の形態のアンテナの数を３個以上とすることができ、例えば、４個、８個など、任意に増やすことができる。

なお、第１の実施の形態のアンテナを複数個配置する場合、隣接するコイルの一部が重なり合うように配置することや、または逆に隣接するコイルを大きな間隔を開けて配置することも可能である。

以下、本発明の効果を確認するために、図１の第１の実施の形態のアンテナ１０の具体的な実施例を作製した結果について説明する。実施例として、アンテナ１０をＦＲ−４基板上に作製した。アンテナ１０の外形寸法を１００ｍｍ×５０ｍｍとし、第１のコイル１１の外形寸法を５０ｍｍ×５０ｍｍ、第２のコイル１２の外形寸法を５０ｍｍ×５０ｍｍとした。図１（ａ）のように、第１のコイル１１は、第２のコイル１２と隣接するように配置した。第１のコイル１１は２ターンの平面コイルからなり、コイル線幅２ｍｍ、コイル線の間隙２ｍｍで作製した。第２のコイル１２も同様に２ターンの平面コイルからなり、コイル線幅２ｍｍ、コイル線の間隙２ｍｍで作製した。第１のコイル１１と第２のコイル１２との間隔は２ｍｍとした。第２のコイル１２には、コンデンサ１３を接続し、ＬＣ共振回路を構成した。このＬＣ共振回路の共振周波数は、１３．５６ＭＨｚに調整した。また、第２のコイル１２には、さらに、抵抗器１４を接続し、第１のコイル１１のインピーダンスと第２のコイル１２のインピーダンスが等しくなるように抵抗器１４を調整した。このとき、第１のコイルと第２のコイルの励磁電流の位相差は８８°であった。

このようにして作製したアンテナ１０に対して給電端子１６に外部の送電回路から１３．５６ＭＨｚの周波数で電力を送電すると、この周波数において駆動電流との位相差が０°である第２のコイルは送電回路から送電された電流と同位相で駆動されて磁場を発生させ、第２のコイルに対して励磁電流の位相差が８８°である第１のコイルは、第２のコイルよりも８８°位相がずれた状態で駆動され磁場を発生させる。

図４は、本発明による実施例のアンテナの磁界強度分布の計算結果を示す図であり、図４（ａ）はアンテナを駆動するために給電端子１６から流入する電流、すなわち駆動電流の位相が０°となったときの分布、図４（ｂ）は駆動電流の位相が９０°となったときの分布である。駆動電流の位相が０°と９０°の場合で、それぞれ異なったコイルに電流が流れて励磁され、第１のコイル１１と第２のコイル１２が順に周期的に励磁されていることがわかる。

上記の本発明のアンテナは非接触電力伝送システムの送電装置において、送電用のアンテナとして用いることができ、本発明のアンテナを使用することにより、高周波においても、高効率かつ広範囲に電力伝送を行うことが可能となる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、部材や構成の変更が可能である。例えば、アンテナの構成は図示したものに限定されず、コイルや基板の形状、材料などの選択、他の構成要素の追加、第１のコイルと第２のコイルの接続方法、第２のコイルに挿入されるコンデンサや抵抗器の種類や形状などについて、種々の変形が可能である。また、コイルの共振周波数は、低周波域から高周波域までの任意の周波数に設定することが可能である。

本発明のアンテナは、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の非接触電力伝送システムの送電用アンテナに利用することができ、さらには、上記の携帯機器やＲＦＩＤのリーダライタ、その他の非接触通信を行う機器の情報通信用のアンテナとしても適用可能である。

１０、２０、５０、５１、５２アンテナ
１１、５３、５５第１のコイル
１２、５４、５６第２のコイル
１３コンデンサ
１４抵抗器
１５送電回路
１６、２５、２６給電端子
２１、２２平面コイル
２３駆動回路

Claims

第１のコイルと、前記第１のコイルに並置され、前記第１のコイルに並列に接続された第２のコイルとから構成され、前記第２のコイルは当該コイルのコイル配線に直列に挿入されたコンデンサと抵抗器とを有し、駆動周波数における、前記第１のコイルのインピーダンスの絶対値をＺ１、前記第２のコイルのインピーダンスの絶対値をＺ２とするとき、０．８≦Ｚ２／Ｚ１≦１．２となり、かつ、前記第１のコイルと前記第２のコイルの励磁電流の位相差が４５°〜９０°の範囲内となる複合アンテナを有することを特徴とするアンテナ。
前記複合アンテナを複数個並置して構成され、一の複合アンテナを構成する第１のコイルに隣接して、他の複合アンテナを構成する第２のコイル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。
前記複合アンテナの片面に近接して磁性体が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ。
前記複合アンテナの片面に近接して電磁波を遮蔽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から請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ。
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、いずれも平面コイルであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ。
非接触電力伝送システムに用いる送電装置であって、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアンテナを電力送電用のアンテナとして用いたことを特徴とする送電装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の送電装置を備えることを特徴とする非接触電力伝送システム。