特開 2023-156393 アンテナシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023156393

(43)【公開日】2023-10-24

(54)【発明の名称】アンテナシステム

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/02 20060101AFI20231017BHJP

   H01Q 7/00 20060101ALI20231017BHJP

   H01Q 1/24 20060101ALI20231017BHJP

   H04B 5/02 20060101ALI20231017BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20231017BHJP

【ＦＩ】

H01P5/02 C

H01Q7/00

H01Q1/24 C

H04B5/02

H02J50/10

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023126982

(22)【出願日】2023-08-03

(62)【分割の表示】P 2019067345の分割

【原出願日】2019-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】308033711

【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】太矢 隆士

(57)【要約】

【課題】制限された形状又はサイズの中で高効率な電力伝送又は情報伝送を行うことが可能な磁気アンテナシステムを提供する。
【解決手段】電圧の印加によって磁界を生成し、各々が第１の方向に沿って伸張しかつ互いに第１の距離だけ離れて配置された第１及び第２の導線部を含む第１の平面コイルを有する第１のアンテナ装置と、磁界の印加によって電圧を生成し、各々が第１の方向に沿って伸張しかつ第１の距離よりも小さな第２の距離だけ離れて配置された第３及び第４の導線部を含む第２の平面コイルを有する第２のアンテナ装置と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電圧の印加によって磁界を生成し、各々が第１の方向に沿って伸張しかつ互いに第１の距離だけ離れて配置された第１及び第２の導線部を含む第１の平面コイルを有する第１のアンテナ装置と、
磁界の印加によって電圧を生成し、各々が前記第１の方向に沿って伸張しかつ前記第１の距離よりも小さな第２の距離だけ離れて配置された第３及び第４の導線部を含む第２の平面コイルを有する第２のアンテナ装置と、を有することを特徴とするアンテナシステム。

【請求項2】

前記第１及び第２の平面コイルは、互いに対向して配置された際に、第１及び第２の平面コイルの面内方向において第３及び第４の導線部が第１の導線部と第２の導線部との間に配置されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。

【請求項3】

前記第２の平面コイルは、前記第１の方向を長手方向とする平面形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナシステム。

【請求項4】

前記第２の平面コイルは、スパイラルインダクタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項5】

前記第２のアンテナ装置は、前記第２の平面コイルを支持する可撓性の基板を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項6】

前記第１の平面コイルは、前記第１の方向を長手方向とする平面形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項7】

前記第１の平面コイルは、前記第２の平面コイルよりも小さな電気抵抗を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項8】

前記第１の平面コイルは、前記第２の平面コイルよりも大きな断面を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項9】

前記第１のアンテナ装置は、電力源を有する第１の電子機器に搭載され、
前記第２のアンテナ装置は、第２の電子機器に搭載され、
前記第１のアンテナ装置は、前記第１の電子機器の前記電力源から供給される電力を無線で送電する送電装置を構成し、
前記第２のアンテナ装置は、前記第１のアンテナ装置から送電された電力を受電し、当該電力を前記第２の電子機器に供給する受電装置を構成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項10】

前記第１のアンテナ装置は、電圧の印加によって、１３．５６ＭＨｚの交流磁界を生成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項11】

前記第２のアンテナ装置の前記第１のアンテナ装置に対する相対位置を定める位置決め装置を有することを特徴とする１乃至１０のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線での磁気的な電力伝送及び情報伝送などに用いられるアンテナシステム
に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、スマートフォンやスマートウォッチなどの種々の電子機器のバッテリを無線で（又は無接点で）充電する技術が一般化されつつある（例えば、特許文献１など）。無線充電に対応する装置は、例えば、磁界を発生させる送電装置に近接させることで、当該磁界を媒体として当該送電装置から電力を受け取る。また、当該磁界を媒体とすることで、当該装置間では、電力の伝送のみならず、信号の伝送、すなわち情報の伝送を行うことが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６４４３６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

装置間での磁気的な電力伝送及び情報伝送を行う場合、当該装置の各々には、磁気を受け渡す磁気アンテナが設けられている。例えば、当該磁気アンテナの各々は、電流を磁界に変換し、又は磁界を電流に変換するコイルを含む。また、伝送効率を考慮すると、コイル同士が高い結合係数で磁気的に結合されていることが好ましい。

【0005】

このためには、例えば、伝送元となる装置のアンテナが安定した磁界を生成するコイルを有すること、また、伝送先となる装置のアンテナが当該磁界を受け取りやすい形状及びサイズのコイルを有することが好ましい。

【0006】

しかし、アンテナを内蔵する装置がサイズや形状などの点で制約を受ける場合がある。例えば、電子ペンは、人が不便なく持つことができる範囲内の形状、サイズ及び重量を有していなければならない。従って、例えば、電子ペンの場合、柱状又は筒状以外の形状がほとんど許容されない。このように、例えば、人に接する電子機器などにおいては、大幅に制限されたスペース内にアンテナを搭載することが必要になる。

【0007】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、制限された形状又はサイズの中で高効率な電力伝送又は情報伝送を行うことが可能なアンテナシステムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明によるアンテナシステムは、電圧の印加によって磁界を生成し、各々が第１の方向に沿って伸張しかつ互いに第１の距離だけ離れて配置された第１及び第２の導線部を含む第１の平面コイルを有する第１のアンテナ装置と、磁界の印加によって電圧を生成し、各々が第１の方向に沿って伸張しかつ第１の距離よりも小さな第２の距離だけ離れて配置された第３及び第４の導線部を含む第２の平面コイルを有する第２のアンテナ装置と、を有することを特徴としている。

【発明の効果】

【0009】

本発明によるアンテナシステムにおいては、例えば電子ペンなどの棒状又は筒状の電子機器に受電装置としての第２のアンテナ装置が搭載される場合において、第１のアンテナ装置から生成される磁界が安定し、第１のアンテナ装置との間で高い磁界結合を生じさせることができる。従って、高効率な電力伝送及び情報伝送を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１に係るアンテナシステムが搭載された電子システムの斜視図である。

【図2】実施例１に係るアンテナシステムの斜視図である。

【図3】実施例１に係るアンテナシステムの側面図である。

【図4】実施例１に係るアンテナシステムにおける第１及び第２のアンテナ装置の断面図である。

【図5】実施例１に係るアンテナシステムに生ずる磁界を示す図である。

【図6】比較例に係るアンテナシステムに生ずる磁界を示す図である。

【図7】実施例１の変形例１に係るアンテナシステムにおける第１のアンテナ装置の斜視図である。

【図8】実施例１の変形例１に係るアンテナシステムにおける第２のアンテナ装置の断面図である。

【図9】実施例１の変形例２に係るアンテナシステムにおける第１のアンテナ装置の斜視図である。

【図10】実施例１の変形例２に係るアンテナシステムにおける第１及び第２のアンテナ装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

【実施例0012】

図１は、実施例１に係るアンテナシステム１０を含む電子システム２０の斜視図である。本実施例においては、電子システム２０は、タブレット端末（第１の電子機器、以下、単にタブレットと称する）２１及び電子ペン（第２の電子機器、以下、単にペンと称する）２２からなる。また、アンテナシステム１０は、タブレット２１に搭載される第１のアンテナ装置１１及びペン２２に搭載される第２のアンテナ装置１２を含む。

【0013】

本実施例においては、タブレット２１は、タブレット２１の動作電源となるバッテリ（電力源）２１Ａを内部に有している。また、ペン２２は、ペン２２の動作電源となるバッテリ（電力源）２２Ａを内部に有している。また、本実施例においては、第１のアンテナ装置１１は、タブレット２１のバッテリ２１Ａを動作電源として動作する。また、第２のアンテナ装置１２は、ペン２２のバッテリ２２Ａを動作電源として動作する。

【0014】

また、本実施例においては、タブレット２１は平板形状を有する。そして、第１のアンテナ装置１１は、タブレット２１の側面に沿って配置され、全体として細長い形状を有する。また、ペン２２は柱状又は筒状などの細長い形状を有する。そして、第２のアンテナ装置１２は、ペン２２の側面に沿って配置され、全体として細長い形状を有する。

【0015】

また、本実施例においては、第１のアンテナ装置１１は、タブレット２１のバッテリ２１Ａから供給される電力を無線で送電する送電装置を構成する。また、第２のアンテナ装置１２は、第１のアンテナ装置１１から送電された電力を受電し、当該受電した電力をペン２２のバッテリ２２Ａに供給する受電装置を構成する。

【0016】

また、本実施例においては、第１のアンテナ装置１１は、電圧の印加によって磁界を生成する磁気アンテナである。また、第２のアンテナ装置１２は、磁界の印加によって電圧（電流）を生成する磁気アンテナである。第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２は、磁界を媒体として送受電を行う。本実施例においては、アンテナシステム１０は、第１のアンテナ装置１１から第２のアンテナ装置１２に磁気的に電力を伝送する電力伝送システムを構成する。

【0017】

また、本実施例においては、アンテナシステム１０は、第２のアンテナ装置１２の第１
のアンテナ装置１１に対する相対位置を定める位置決め装置１３を有する。本実施例においては、位置決め装置１３は、第１のアンテナ装置１１が配置されたタブレット２１の側面に設けられ、ペン２２をタブレット２１の側面に密着又は近接させた状態でペン２２を保持する突起を有する。

【0018】

なお、位置決め装置１３の構成はこれに限定されない。例えば、位置決め装置１３は、タブレット２１に設けられ、ペン２２の側面と係合するように構成された凹部を有していてもよい。また、例えば、位置決め装置１３は、タブレット２１及びペン２２の側面にそれぞれ設けられた永久磁石を含んでいてもよい。

【0019】

また、例えば、タブレット２１は、ペン２２の接近を検知するセンサ（図示せず）を有し、ペン２２がタブレット２１に近接した場合、第１のアンテナ装置１１に対して送電動作を指令する。また、例えば、ペン２２は、動作時はバッテリ２２Ａが満充電状態でない限り第２のアンテナ装置１２に対して外部からの受電動作を指令する。

【0020】

図２は、第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２の模式的な斜視図である。まず、第１のアンテナ装置１１は、送電部として機能し、矩形の平面形状を有するアンテナ部（以下、第１のアンテナ部と称する）３１と、第１のアンテナ部３１の駆動及び制御を行う制御部（本実施例においては送電制御部として機能する）３２と、を有する。

【0021】

本実施例においては、第１のアンテナ部３１は、長手方向（第１の方向）Ｄ１１及び短手方向（第２の方向）Ｄ１２を有する矩形の平面コイル（以下、第１の平面コイルと称する）３１Ａと、絶縁性を有し、第１の平面コイル３１Ａを支持する平板形状の基板３１Ｂと、を含む。

【0022】

例えば、基板３１Ｂは、長手方向Ｄ１１及び短手方向Ｄ１２を有する細長い矩形の樹脂板からなる。また、第１の平面コイル３１Ａは、基板３１Ｂの主面の一方（本実施例においては送電面として機能する。以下、第１の伝送面と称する）３１Ｔに設けられ、第１の伝送面３１Ｔの外周部に沿って環状に形成された導体配線（インダクタンス配線）からなる。

【0023】

本実施例においては、第１の平面コイル３１Ａは、ループアンテナを構成するスパイラルインダクタである。また、第１の平面コイル３１Ａは、各々が長手方向Ｄ１１に沿って並行して伸張し、互いに反対方向の電流を生じさせる第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２を有する。換言すれば、第１の平面コイル３１Ａは、第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２の伸張方向を長手方向Ｄ１１とする平面形状を有する。

【0024】

また、制御部３２は、バッテリ２１Ａに接続され、第１のアンテナ部３１Ａの駆動制御を行う種々の素子が集積された制御回路（本実施例においては送電制御回路として機能する）３２Ａと、制御回路３２Ａを実装する実装基板３２Ｂと、を含む。

【0025】

本実施例においては、制御回路３２Ａは、第１の平面コイル３１Ａと共に共振回路を構成するキャパシタ（図示せず）を含む。本実施例においては、第１のアンテナ装置１１は、バッテリ２１Ａからの電力を受けて、第１のアンテナ部３１によって、交流磁界を生成する。例えば、第１のアンテナ装置１１は、１３．５６ＭＨｚの周波数の交流磁界を生成する。

【0026】

次に、第２のアンテナ装置１２は、受電部として機能し、矩形の平面形状を有するアンテナ部（以下、第２のアンテナ部と称する）３３と、第２のアンテナ部３３の駆動及び制御を行う制御部（本実施例においては受電制御部として機能する）３４と、を有する。

【0027】

本実施例においては、第２のアンテナ部３３は、長手方向（第１の方向）Ｄ２１及び短手方向（第２の方向）Ｄ２２を有する矩形の平面コイル（以下、第２の平面コイルと称する）３３Ａと、絶縁性を有し、第２の平面コイル３３Ａを支持する平板形状の基板３３Ｂと、を含む。

【0028】

例えば、基板３３Ｂは、長手方向Ｄ２１及び短手方向Ｄ２２を有する細長い矩形の樹脂板からなる。また、第２の平面コイル３３Ａは、基板３３Ｂの主面の一方（本実施例においては受電面として機能する。以下、第２の伝送面と称する）３３Ｔに設けられ、第２の伝送面３３Ｔの外周部に沿って環状に形成された導体配線（インダクタンス配線）からなる。

【0029】

本実施例においては、第２の平面コイル３３Ａは、ループアンテナを構成するスパイラルインダクタである。また、第２の平面コイル３３Ａは、各々が長手方向Ｄ２１に沿って並行して伸張し、互いに反対方向の電流を生じさせる第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４を有する。換言すれば、第２の平面コイル３３Ａは、第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４の伸張方向を長手方向Ｄ２１とする平面形状を有する。

【0030】

また、制御部３４は、バッテリ２２Ａに接続され、第２のアンテナ部３３の駆動制御を行う種々の素子が集積された制御回路（本実施例においては受電制御回路として機能する）３２Ａと、制御回路３４Ａを実装する実装基板３４Ｂと、を含む。

【0031】

本実施例においては、制御回路３４Ａは、第２の平面コイル３３Ａと共に、１３．５６ＭＨｚを共振周波数とする共振回路を構成するキャパシタ（図示せず）を含む。本実施例においては、第２のアンテナ装置１２は、第１のアンテナ装置１１によって生成された交流磁界と共振（共鳴）し、１３．５６ＭＨｚの交流電圧（交流電流）を生成する。

【0032】

また、本実施例においては、制御回路３４Ａは、当該共振回路によって生成された交流電流を直流電流に変換する整流素子（図示せず）を有する。制御回路３４Ａは、当該整流素子によって生成された直流電流をバッテリ２２Ａに供給することで、バッテリ２２Ａに給電を行う。このように、アンテナシステム１０は、バッテリ２１Ａからバッテリ２２Ａに電力を伝送する。

【0033】

図３は、第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２の模式的な側面図である。図３においては、タブレット２１、ペン２２及び位置決め装置１３を２点鎖線で示している。図３は、電力を伝送するための第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２の配置例を示す図である。

【0034】

本実施例においては、第１のアンテナ装置１１は、第１の平面コイル３１Ａが設けられた第１の伝送面３１Ｔがタブレット２１の側面２１Ｓを介してタブレット２１の外部に面するように、タブレット２１内に配置されている。また、第２のアンテナ装置１２は、第２の平面コイル３３Ａが設けられた第２の伝送面３３Ｔがペン２２の側面２２Ｓを介してペン２２の外部に面するように、ペン２２内に配置されている。

【0035】

そして、例えば、図３に示すように、位置決め装置１３にペン２２を保持させることによって、タブレット２１の側面２１Ｓに沿ってペン２２の側面２２Ｓを近接又は当接させる。これによって、第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２は、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａの各々の長手方向Ｄ１１及びＤ２１が揃うように、互いに対向して配置される。例えば、このようにタブレット２１及びペン２２を位置決めすることで、アンテナシステム１０がタブレット２１のバッテリ２１Ａから電力の伝送を開始し、ペン２
２のバッテリ２２Ａへの無線給電が開始される。

【0036】

図４は、第１及び第２のアンテナ部３１及び３３の各々の短手方向Ｄ１２及びＤ２２に沿った断面図である。図４は、図３の４－４線に沿った断面図である。図４を用いて、第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２のアンテナ形状の詳細について説明する。

【0037】

まず、本実施例においては、第１の平面コイル３１Ａは、基板３１Ｂの第１の伝送面３１Ｔから部分的に露出するように基板３１Ｂに埋め込まれ、第１の伝送面３１Ｔにおいて環状に２回引き回された導線（インダクタンス配線）からなる。

【0038】

より具体的には、まず、図４に示すように、第１の平面コイル３１Ａは、各々が長手方向Ｄ１１に沿って並行して伸張し、互いに反対方向の電流を生じさせ、短手方向Ｄ１２において距離（第１の距離、コイル内寸と称される場合がある）Ｗ１１をおいて互いに離間して配列された第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２を有する。

【0039】

また、第１の導線部Ｐ１は、各々が長手方向Ｄ１１に沿って延び、互いに同一方向の電流を生じさせ、短手方向Ｄ１２において距離（導体間ピッチと称される場合がある）Ｗ０をおいて互いに離間する２つの第１の導線Ｐ１１及びＰ１２からなる。

【0040】

また、第２の導線部Ｐ２は、各々が長手方向Ｄ１１に沿って延び、互いに同一方向の電流を生じさせ、短手方向Ｄ１２において距離（導体間ピッチと称される場合がある）Ｗ０をおいて互いに離間する２つの第２の導線Ｐ２１及びＰ２２からなる。

【0041】

次に、第２の平面コイル３３Ａは、基板３３Ｂの第２の伝送面３３Ｔから部分的に露出するように基板３３Ｂに埋め込まれ、第２の伝送面３３Ｔにおいて環状に２回引き回された導線（インダクタンス配線）からなる。

【0042】

第２の平面コイル３３Ａは、各々が長手方向Ｄ２１に沿って並行して伸張し、互いに反対方向の電流を生じさせ、短手方向Ｄ２２において距離Ｗ１１よりも小さな外形寸法（第２の距離、コイル外寸と称される場合がある）Ｗ１２を有するように配列された第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４を有する。

【0043】

また、第３の導線部Ｐ３は、各々が長手方向Ｄ２１に沿って延び、互いに同一方向の電流を生じさせ、短手方向Ｄ２２において距離（導体間ピッチと称される場合がある）Ｗ０をおいて互いに離間する２つの第３の導線Ｐ３１及びＰ３２からなる。

【0044】

また、第４の導線部Ｐ４は、各々が長手方向Ｄ２１に沿って延び、互いに同一方向の電流を生じさせ、短手方向Ｄ２２において距離（導体間ピッチと称される場合がある）Ｗ０をおいて互いに離間する２つの第４の導線Ｐ４１及びＰ４２からなる。

【0045】

従って、図４に示すように、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａは、第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２の伸張方向と第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４の伸張方向とが揃うように互いに対向して配置された際に、第１及び第２の平面コイルＰ３１Ａ及びＰ３３Ａの面内方向において第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４が第１の導線部Ｐ１と第２の導線部Ｐ２との間に配置されるように構成されている。

【0046】

図５は、第１の平面コイル３１Ａによって生成された磁界を模式的に示す図である。図５には、第１の平面コイル３１Ａによって生ずる磁界の磁力線ＭＧ１１及びＭＧ１２を破線で示している。

【0047】

図５に示すように、長手方向Ｄ１１に沿って第１の平面コイル３１Ａを見ると、第１の導線部Ｐ１から生成される磁界は、磁力線ＭＧ１１に示すように、第１の導線部Ｐ１を中心として、ほぼ円環状に生成となる。また、第２の導線部Ｐ２から生成される磁界は、磁力線ＭＧ１２に示すように、第２の導線部Ｐ２を中心として、ほぼ円環状となる。第２の平面コイル３３Ａは、このような磁界を生成する第１の平面コイル３１Ａに磁界結合を生じさせ、これを電流に変換する。

【0048】

なお、本願の発明者は、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａ間に生じている磁界結合の結合係数を測定した。この結合係数を測定するために、本願の発明者は、以下の構成の第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２を準備した。

【0049】

具体的には、第２の平面コイル３３Ａとして、長手方向Ｄ２１のコイル外寸を３０ｍｍとし、短手方向Ｄ２２のコイル外寸（距離Ｗ１２）を４ｍｍとし、導体幅（第３及び第４の導線Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ４１及びＰ４２の各々の断面における直径）を０．２ｍｍとした２回巻きの平面コイルを準備した。また、第１の平面コイル３１Ａとして、短手方向Ｄ１２のコイル内寸（距離Ｗ１１）を５ｍｍとし、長手方向Ｄ１１のコイル外寸を３０ｍｍとし、導体幅（第１及び第２の導線Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１及びＰ２２の各々の断面における直径）を０．２ｍｍとした２回巻きの平面コイルを準備した。

【0050】

そして、この第１の平面コイル３１Ａを１次コイルとし、第２の平面コイル３３Ａを２次コイルとした場合の第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａの結合係数を測定したところ、結合係数は０．１３７であった。

【0051】

図６は、比較例に係るアンテナシステム１００の構成及びアンテナシステム１００によって生成された磁界を模式的に示す図である。図６は、アンテナシステム１００における図５と同様の図である。アンテナシステム１００は、互いに同一の形状及びサイズのアンテナ部を有する第１及び第２のアンテナ装置１０１及び１０２からなる。

【0052】

アンテナシステム１００においては、第１のアンテナ装置１０１は、矩形形状の平面コイルを構成する第１及び第２の導線部Ｐ１０及びＰ２０を有する。また、第２のアンテナ装置１０２は、第１のアンテナ装置１０２と同一の矩形形状の平面コイルを構成する第３及び第４の導線部Ｐ３０及びＰ４０を有する。

【0053】

図６に示すように、アンテナシステム１００においては、例えば、第１及び第２のアンテナ装置１０１及び１０２を互いの平面コイルの中心を合わせるように対向させることができる。これによって、第１の導線部Ｐ１０及び第３の導線部Ｐ３０は互いに完全に対向し、第２の導線部Ｐ２０及び第４の導線部Ｐ４０は互いに完全に対向するように配置される。

【0054】

本願の発明者は、アンテナシステム１００において、アンテナシステム１０と同様の条件で第１及び第２のアンテナ装置１０１及び１０２間の磁界結合の結合係数を測定した。具体的には、第１及び第２のアンテナ装置１０１及び１０２として、アンテナシステム１０における第２のアンテナ装置１２と同様のアンテナ装置を２つ準備した。そして、第１及び第２のアンテナ装置１０１及び１０２間の結合係数を測定したところ、結合係数は０．０６３であった。

【0055】

従って、アンテナシステム１０においては、アンテナシステム１００の２倍以上の結合係数で第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２間に磁界結合が生じていることがわかる。すなわち、アンテナシステム１０は、アンテナシステム１００よりも高い効率で電力伝送を行うことができることがわかる。

【0056】

これは、図６に示すように、アンテナシステム１００においては、第１のアンテナ装置１０１によって生成される磁界が歪むことに起因する。具体的には、例えばペン２２などに搭載される第２のアンテナ装置１０２の平面コイル（第３及び第４の導線部Ｐ３０及びＰ４０）に対向するように第１のアンテナ装置１０１の平面コイル（第１及び第２の導線部Ｐ１０及びＰ２０）を構成及び配置した場合を考える。

【0057】

この場合、第１の導線部Ｐ１０によって生成される磁界と、第２の導線部Ｐ２０によって生成される磁界と、が互いに反発しあう。従って、第１の導線部Ｐ１０によって生成される磁界が第２の導線部Ｐ２０から離れる方向に広がり、第１の導線部Ｐ１０の近傍に生ずる磁界の強度が弱まってしまう。同様に、第２の導線部Ｐ２０によって生成される磁界の強度も弱まる。

【0058】

従って、第１のアンテナ装置１０１（比較例）によって生成される磁界の磁力線ＭＧ０１及びＭＧ０２は、磁力線ＭＧ１１及びＭＧ１２（本実施例）よりも長く、また不安定な密度となる。従って、良好な磁界結合（高い結合係数）を得ることが困難となる。

【0059】

これに対し、本実施例においては、図４に示すように、第１のアンテナ装置１１の第１の平面コイル３１Ａが第２のアンテナ装置１２の第２の平面コイル３３Ａよりも大きなコイル内寸（距離Ｗ１１）を有する。これによって、安定した強度の磁界を第２の平面コイル３３Ａの近傍に生じさせることができる。

【0060】

従って、高い結合係数でコイル間の磁界結合を生じさせ、高い伝送効率を得ることができる。また、高効率で電力伝送を行うことができるため、本実施例における電力の伝送元となるタブレット２１のバッテリ２１Ａを低用量化及び低価格化することができる。

【0061】

また、短手方向Ｄ１２及びＤ２２においては、第１及び第２のアンテナ平面コイル３１Ａ及び３３Ａの位置がある程度ズレた場合でも磁界結合の強度、すなわち伝送効率が低下しにくい。従って、タブレット２１及びペン２２を厳密に位置合わせする必要が無い。従って、高い伝送効率及び高い利便性で電力伝送を行うことができる。

【0062】

また、アンテナシステム１０内での熱の発生を低減することができる。この低い発熱性は、タブレット２１及びペン２２などの人が触れる電子機器に搭載されるアンテナシステム１０においては、安全性の観点からも重要な特性である。

【0063】

なお、上記した第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａの構成は、一例に過ぎない。例えば、本実施例においては、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａが矩形のコイル形状を有する場合について説明した。

【0064】

しかし、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａは、矩形のコイル形状を有する場合に限定されない。例えば、第２の平面コイル３３Ａは、楕円形状又はトラック形状を有していてもよいし、部分的にクランクを有していてもよい。

【0065】

例えば、第１の平面コイル３１Ａは、各々が並行して伸張する第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２を有していればよい。また、第２の平面コイル３３Ａは、例えば、各々が並行して伸張する第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４を有していればよい。また、電子ペン２２などの細長い形状の電子機器に搭載されることを考慮すると、第２の平面コイル３３Ａは、第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４の伸張方向を長手方向Ｄ２１とする平面形状を有していればよい。

【0066】

また、第１の平面コイル３１Ａは、第２の平面コイル３３Ａに対向して配置された際に第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４を挟むように設けられた第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２を有していればよい。また、例えば、第２の平面コイル３３Ａは、第１の平面コイル３１Ａの第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２の離間距離よりも小さな距離だけ離間した第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４を有していればよい。

【0067】

また、本実施例においては、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａが２回巻きの平面コイルからなる場合について説明した。しかし、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａの巻き数は２回である場合に限定されない。例えば、第１の平面コイル３１Ａが３回巻きの平面コイルであり、第２の平面コイル３３Ａが１回巻きの平面コイルであってもよい。すなわち、各導線部は、少なくとも１つの導線を含んでいればよい。

【0068】

なお、高い伝送効率を得ることを考慮すると、第１の平面コイル３１Ａにおける長手方向Ｄ１１の内形寸法においても、第２の平面コイル３３Ａにおける長手方向Ｄ２１の外形寸法よりも大きいことが好ましい。すなわち、第２の平面コイル３３Ａは、第１の平面コイル３１Ａに対向して配置された際に、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａの面内方向において、その全体が第１の平面コイル３１Ａの内側に配置されるように構成されていることが好ましい。

【0069】

また、第２の平面コイル３３Ａは、第１の平面コイル３１Ａのコイル内寸よりも小さなコイル外寸を有する部分を有していればよい。例えば、第２の平面コイル３３Ａは、内側に開口を有していなくてもよい。

【0070】

図７は、本実施例の変形例１に係るアンテナシステム１０Ａにおける第２のアンテナ装置１２Ａの模式的な斜視図である。アンテナシステム１０Ａは、第２のアンテナ装置１２Ａの構成を除いては、アンテナシステム１０と同様の構成を有する。

【0071】

また、第２のアンテナ装置１２Ａは、アンテナ部３５の構成を除いては、第２のアンテナシステム１２と同様の構成を有する。第２のアンテナシステム１２Ａにおいては、アンテナ部３５は、開口部を有さない第２の平面コイル３５Ａと、第２の平面コイル３５Ａを支持する基板３５Ｂと、からなる。

【0072】

図８は、アンテナ部３５の短手方向Ｄ２２に沿った断面図である。図８は、図７の８－８線に沿った断面図である。図８に示すように、本変形例においては、第２の平面コイル３５Ａにおける長手方向Ｄ２１に沿って伸張する全ての導線が互いに同一の間隔をおいて基板３５Ｂの主面（第２の伝送面３５Ｔ）上に配列されている。

【0073】

具体的には、第２の平面コイル３５Ａは、長手方向Ｄ１２において互いに反対方向の電流を生じさせる第３及び第４の導線部Ｐ３Ａ及びＰ４Ａを有する。また、本変形例においては、第２の平面コイル３５Ａは２回巻きの平面コイルである。第３の導線部Ｐ３Ａは、長手方向Ｄ２１に沿って延びる２つの第３の導線Ｐ３３及びＰ３４を有する。また、第４の導線部Ｐ４Ａは、長手方向Ｄ２１に沿って延びる２つの第４の導線Ｐ４３及びＰ４４を有する。

【0074】

また、本変形例においては、第３の導線Ｐ３３及びＰ３４は、短手方向Ｄ２２において距離Ｗ０をおいて互いに離間して配置されている。また、第４の導線Ｐ４３及びＰ４４は、短手方向Ｄ２２において距離Ｗ０をおいて互いに離間して配置されている。さらに、本実施例においては、第３の導線部Ｐ３Ａにおける最も第４の導線部Ｐ４Ａに近い第３の導線Ｐ３３と、第４の導線部Ｐ４Ａにおける最も第３の導線部Ｐ３Ａに近い第４の導線Ｐ４３と、は、短手方向Ｄ２２において距離Ｗ０をおいて互いに離間して配置されている。

【0075】

すなわち、第２の平面コイル３５Ａにおいては、第３及び第４の導線部Ｐ３Ａ及びＰ４Ａは、短手方向Ｄ２２において、第３及び第４の導線部Ｐ３Ａ及びＰ４Ａ内の導線の配置間隔と同一の間隔で互いに離間して配列されている。第２の平面コイル３５Ａをこのように構成することで、アンテナ部３５を短手方向Ｄ２２において最も小型化することができる。

【0076】

例えば、第２の平面コイル３５Ａは、第２の伝送面３５Ｔに垂直な方向から見たときに第１の平面コイル３３Ａの内側に納まるような外形を有する部分を有していればよく、その内側のコイル形状については種々の形状を有し得る。従って、導電特性を阻害しない範囲内で導線同士を近づけて配置することができる。従って、例えば、複数巻きの平面コイルにおいては、同一方向の電流を生じさせる導線（例えば第３の導線Ｐ３３及びＰ３４）の配置間隔（距離Ｗ０）で全ての導線を配置することができる。

【0077】

この場合、電力の伝送特性を犠牲にすることなく、第２のアンテナ装置１２Ａを小型化することができる。従って、ペン２２の内部などの制限されたスペースに搭載される場合であっても高い伝送効率で電力伝送を行うアンテナシステム１０Ａを提供することができる。

【0078】

また、本実施例においては、第１の平面コイル３１Ａが基板３１Ｂ上に形成された導体配線からなり、第２の平面コイル３３Ａが基板３３Ｂ上に形成された導体配線からなる場合について説明した。しかし、第１及び第２のアンテナ部３１及び３３は、基板上に形成されたインダクタンス配線からなる場合に限定されない。例えば、第１又は第２のアンテナ部３１又は３３は、自己支持できる種々の導体のみであってもよい。

【0079】

図９は、本実施例の変形例２に係るアンテナシステム１０Ｂの第１のアンテナ装置１１Ａの模式的な斜視図である。アンテナシステム１０Ｂは、第１のアンテナ装置１１Ａの構成を除いては、アンテナシステム１０と同様の構成を有する。また、第１のアンテナ装置１１Ａは、第１のアンテナ部３６の構成を除いては、第１のアンテナ装置１１と同様の構成を有する。

【0080】

本変形例においては、第１のアンテナ部３６は、第１の平面コイルのみからなる。すなわち、第１のアンテナ装置１１Ａは、第１のアンテナ部として機能する第１の平面コイル３６を有する。また、第１の平面コイル３６の表面は、第１のアンテナ装置１１Ａにおける第１の伝送面３６Ｔとして機能する。

【0081】

図１０は、アンテナシステム１０Ｂにおける第１及び第２のアンテナ装置１１Ａ及び１２の配置例を示す図である。図１０は、第１及び第２のアンテナ装置１１Ａ及び１２の短手方向Ｄ１２及びＤ２２における断面図である。図１０においては、タブレット２１及びその側面２１Ｓを二点鎖線で示した。

【0082】

図１０に示すように、また、第１のアンテナ装置１１Ａにおける第１の伝送面３６Ｔは、タブレット２１の側面２１Ｓに沿ってタブレット２１の内部に配置されている。また、本変形例においては、第１の平面コイル３６におけるタブレット２１の側面２１Ｓに面する表面が第１の伝送面３６Ｔとなる。

【0083】

本変形例においては、第１のアンテナ装置１１Ａの第１の平面コイル３６は、第２のアンテナ装置１２の第２の平面コイル３３Ａよりも大きな断面（本実施例においては直径）を有する。また、第１の平面コイル３６は、第２の平面コイル３３Ａよりも小さな電気抵抗を有する。例えば、第１の平面コイル３６は、エナメル線又はリッツ線からなる。

【0084】

例えば、送電側の電子機器内においては、アンテナ用に用意されるスペースの制限が緩い場合がある。この場合、強い磁界を生成することを優先的に考慮して第１のアンテナ装置１１Ａを構成することができる。

【0085】

従って、第１の平面コイル３６は、例えばリッツ線などのように、第２の平面コイル３３Ａよりも小さな電気抵抗を有する導線、又は第２の平面コイル３３Ａよりも大きな断面を有する導線によって形成されることによって、安定した高強度の磁界を生成することができる。従って、高い伝送効率を得ることができる。

【0086】

また、本実施例においては、第２のアンテナ装置１２が基板３１Ｂを有する場合について説明した。この基板３１Ｂは、種々の機器及び装置に搭載されることを考慮して、種々の形状、サイズ及び特性を有し得る。

【0087】

例えば、ペン２２などの細長い柱状又は筒状の電子機器に搭載される場合、ペン２２の側面２２Ｓは、平面形状に限らず、曲面形状及び多角形状を有する場合がある。このような種々の形状の側面２２Ｓに搭載されることを考慮すると、第２のアンテナ装置１２は、変形可能な構成を有することが好ましい。

【0088】

従って、この場合、例えば、第２のアンテナ装置１２の第２の平面コイル３３Ａは、フレキシブル基板など、可撓性を有する基板３３Ｂによって支持されていることが好ましい。これによって、アンテナシステム１０は、種々の形状を有する機器及び装置に搭載されることができる。

【0089】

また、本実施例においては、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａは、１つの階層で平面状に巻かれた導線からなる場合について説明した。しかし、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａは、平面状に巻かれた導線が複数回積層されるような構成を有していてもよい。

【0090】

また、第１のアンテナ装置１１は、基板３１Ｂの第１の伝送面３１Ｔに設けられ、所定の周波数帯域（例えば１３．５６ＭＨｚを含む所定の帯域）に透磁性を有する磁性シートを有していてもよい。また、第２のアンテナ装置１２は、基板３３Ｂの第２の伝送面３３Ｔに設けられ、所定の周波数帯域（例えば１３．５６ＭＨｚを含む所定の帯域）に透磁性を有する磁性シートを有していてもよい。これによって、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａ間の磁界結合の強度が向上する。

【0091】

また、本実施例においては、第１のアンテナ装置１１の制御部３２が第１の平面コイル３１Ａと共に共振回路を構成するキャパシタを有し、第２のアンテナ装置１２の制御部３４が第２の平面コイル３３Ａと共に共振回路を構成するキャパシタを有する場合について説明した。しかし、電力の伝送方式及び伝送効率に応じて、キャパシタは設けられていなくてもよい。なお、キャパシタを設ける場合、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａは、周波数調整を行うため、部分的に断線させた部分を有していてもよい。

【0092】

また、本実施例においては、制御部３２及び３４がそれぞれ第１及び第２のアンテナ部３１及び３３の長手方向Ｄ１１及びＤ２１の端部に接続されている場合について説明した。しかし、制御部３２及び３４は、それぞれ第１及び第２のアンテナ部３１及び３３に接続されていればよく、その接続点はいずれの位置に設けられていてもよい。

【0093】

また、本実施例においては、アンテナシステム１０が第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２の位置を定める位置決め装置１３を有する場合について説明した。しかし、アン
テナシステム１０は、位置決め装置１３を有していなくてもよい。

【0094】

また、アンテナシステム１０は、タブレット２１及びペン２２などの電子機器に搭載される場合のみならず、種々のシステムに搭載されることができる。例えば、第１のアンテナ装置１１が鉄道のレールに、第２のアンテナ装置１２が鉄道車両に搭載されることができる。また、例えば、第１及び第２のアンテナ装置１１及び１２の一方が電柱に搭載されることもできる。また、第１のアンテナ装置１１が道路に埋め込まれ、第２のアンテナ装置１２が車両に搭載されることもできる。

【0095】

また、本実施例においては、アンテナシステム１０が電力伝送を行うように構成される場合について説明した。しかし、アンテナシステム１０は、電力のみならず、電気信号に重畳させて情報を伝送するように構成されることができる。

【0096】

例えば、アンテナシステム１０は、電力伝送及び情報伝送を行うシステムとして機能することができる。この場合、制御部３２は、タブレット２１内の種々の機能素子やメモリなどからデータを取得し、これを電気信号に変換した上で、この電気信号に対応する駆動信号を生成すればよい。そして、制御部３２は、当該駆動信号を第１のアンテナ部３１に供給することで、当該データを示す磁界が生成される。また、第２のアンテナ装置１２は、第２のアンテナ部３３によって当該磁界を受け取り、電気信号に変換した後、データを復号すればよい。

【0097】

すなわち、アンテナシステム１０は、電力伝送システムを構成することができるし、通信システムを構成することもできる。これらの場合でも、第１及び第２の平面コイル３１Ａ及び３３Ａが上記したような構成を有することで、高い伝送効率で電力及び情報の伝送を行うことができる。

【0098】

また、本実施例においては、第１の平面コイル３１Ａの第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２が長手方向Ｄ１１において互いに反対方向の電流を生じさせる場合について説明した。また、本実施例においては、第２の平面コイル３３Ａの第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４が長手方向Ｄ２１において互いに反対方向の電流を生じさせる場合について説明した。しかし、各導線部における電流の方向はこれに限定されない。

【0099】

上記したように、本実施例においては、アンテナシステム１０は、例えば、電圧の印加によって磁界を生成し、各々が第１の方向Ｄ１１に沿って伸張かつ第１の距離Ｗ１１だけ離れて配置された第１及び第２の導線部Ｐ１及びＰ２を含む第１の平面コイル３１Ａを有する第１のアンテナ装置１１と、磁界の印加によって電圧を生成し、各々が第１の方向Ｄ２１に沿って伸張しかつ第１の距離Ｗ１１よりも小さな第２の距離Ｗ１２だけ離れて配置された第３及び第４の導線部Ｐ３及びＰ４を含む第２の平面コイル３３Ａを有する第２のアンテナ装置１２と、を有する。従って、制限された形状又はサイズの中で高効率な電力伝送又は情報伝送を行うことが可能な磁気アンテナシステム１０を提供することができる。

【符号の説明】

【0100】

１０、１０Ａ、１０Ｂ 磁気アンテナシステム
２０ 電子システム
１１、１１Ａ 第１のアンテナ装置
１２、１２Ａ 第２のアンテナ装置
３１Ａ、３６ 第１の平面コイル
３３Ａ、３５Ａ 第２の平面コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2023-10-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項1】

電圧の印加によって磁界を生成し、第１の方向を長手方向導体配線としかつ前記第１の方向に直交する第２の方向を短手方向導体配線として矩形かつ環状に形成された平面形状の第１の平面コイルを有する第１のアンテナ装置と、
磁界の印加によって電圧を生成し、前記第１の方向を長手方向導体配線としかつ前記第２の方向を短手方向導線部として矩形かつ環状に形成された平面形状の第２の平面コイルを有して前記第１の平面コイルに対向配置されるように構成された第２のアンテナ装置と、を有し、
前記第１の平面コイルの長手方向導体配線は、各々が前記第１の方向に沿って伸張しかつ互いに前記第２の方向において第１の距離だけ離れて配置された第１及び第２の導線部を含み、
前記第２の平面コイルの長手方向導体配線は、各々が前記第１の方向に沿って伸張しかつ互いに前記第２の方向において前記第１の距離よりも小さな第２の距離だけ離れて配置された第３及び第４の導線部を含み、
前記第１及び第２の平面コイルは、互いに対向して配置された際に、前記第１及び第２の平面コイルの面内方向において前記第３及び第４の導線部が前記第１の導線部と前記第２の導線部との間に配置されるように構成されていることを特徴とするアンテナシステム。

【請求項2】

前記第２の平面コイルは、スパイラルインダクタであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。

【請求項3】

前記第２のアンテナ装置は、前記第２の平面コイルを支持する可撓性の基板を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナシステム。

【請求項4】

前記第１の平面コイルは、前記第２の平面コイルよりも小さな電気抵抗を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項5】

前記第１の平面コイルは、前記第２の平面コイルよりも大きな断面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項6】

前記第１のアンテナ装置は、電力源を有する第１の電子機器に搭載され、
前記第２のアンテナ装置は、第２の電子機器に搭載され、
前記第１のアンテナ装置は、前記第１の電子機器の前記電力源から供給される電力を無線で送電する送電装置を構成し、
前記第２のアンテナ装置は、前記第１のアンテナ装置から送電された電力を受電し、当該電力を前記第２の電子機器に供給する受電装置を構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項7】

前記第１のアンテナ装置は、電圧の印加によって、１３．５６ＭＨｚの交流磁界を生成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【請求項8】

前記第２のアンテナ装置の前記第１のアンテナ装置に対する相対位置を定める位置決め装置を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のアンテナシステム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

本発明によるアンテナシステムは、電圧の印加によって磁界を生成し、第１の方向を長手方向導体配線としかつ前記第１の方向に直交する第２の方向を短手方向導体配線として矩形かつ環状に形成された平面形状の第１の平面コイルを有する第１のアンテナ装置と、磁界の印加によって電圧を生成し、前記第１の方向を長手方向導体配線としかつ前記第２の方向を短手方向導線部として矩形かつ環状に形成された平面形状の第２の平面コイルを有して前記第１の平面コイルに対向配置されるように構成された第２のアンテナ装置と、を有し、前記第１の平面コイルの長手方向導体配線は、各々が前記第１の方向に沿って伸張しかつ互いに前記第２の方向において第１の距離だけ離れて配置された第１及び第２の導線部を含み、前記第２の平面コイルの長手方向導体配線は、各々が前記第１の方向に沿って伸張しかつ互いに前記第２の方向において前記第１の距離よりも小さな第２の距離だけ離れて配置された第３及び第４の導線部を含み、前記第１及び第２の平面コイルは、互いに対向して配置された際に、前記第１及び第２の平面コイルの面内方向において前記第３及び第４の導線部が前記第１の導線部と前記第２の導線部との間に配置されるように構成されていることを特徴としている。