非接触無線通信用コイル及び携帯無線端末
【課題】非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にする。
【解決手段】コイルユニットは、コイルの厚さ方向において、第１磁性体１１、非接触電力伝送用の第１コイル１２、第２磁性体２１、基板３０、非接触無線通信用の第２コイル２２の順に積層して配置される。第２コイル２２が外部機器側に位置する。第１コイル１２と第２コイル２２は、少なくとも一部が重なった状態で配置され、第１コイルの内周側に第２コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２の外周寄りで第２コイル２２と重なるように配置されている。また、第１コイル１２の共振周波数が第２コイル２２の共振周波数よりも低くなっており、第１磁性体１１の透磁率が第２磁性体２１の透磁率よりも高くなっている。
【解決手段】コイルユニットは、コイルの厚さ方向において、第１磁性体１１、非接触電力伝送用の第１コイル１２、第２磁性体２１、基板３０、非接触無線通信用の第２コイル２２の順に積層して配置される。第２コイル２２が外部機器側に位置する。第１コイル１２と第２コイル２２は、少なくとも一部が重なった状態で配置され、第１コイルの内周側に第２コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２の外周寄りで第２コイル２２と重なるように配置されている。また、第１コイル１２の共振周波数が第２コイル２２の共振周波数よりも低くなっており、第１磁性体１１の透磁率が第２磁性体２１の透磁率よりも高くなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触無線通信が可能な非接触無線通信用コイル、及びこれを搭載した携帯無線端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば携帯電話端末、スマートフォンなどの携帯無線端末では、ＦｅｌｉＣａ（登録商標）等を含むＮＦＣ（Near Field Communication）等の非接触無線通信（いわゆるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification））の機能を搭載したものが普及している。この種の非接触無線通信によって、電子マネー機能、乗車券機能などを実現している。
【０００３】
また、携帯無線端末において、近年、非接触で電力を伝送することにより、電池の充電（非接触充電）を行う機能を搭載したものが用いられつつある。非接触電力伝送の方式としては、電磁誘導方式、磁界共鳴方式などがあり、給電側のコイルと受電側のコイルを対向させて電力伝送を行うものが主流である。
【０００４】
非接触充電機能を搭載した携帯無線端末では、充電用コイルが電池パックと一体化されたものが主流となっている。このため、さらなる端末の薄型化のために電池パックを薄くしようとすると、電池容量が少なくなるという大きな課題がある。一方、充電用コイルを電池パックと別体に構成する場合、上記の非接触無線通信機能を搭載した携帯無線端末では、非接触無線通信用コイルとの共存が課題となる。
【０００５】
ここで、非接触無線通信用コイルと非接触電力伝送用コイルとを共存させる場合を想定する。２つのコイルを設けた従来例として、例えば特許文献１には、電力波用アンテナを形成する第１のコイルとデータ波用アンテナを形成する第２のコイルとを２重の輪となるように配設した無線カードが開示されている。この構成により、無線カードを保持する手の指などで第１のコイル及び第２のコイルが覆われるおそれが少なく、双方のコイルの受信状況をほぼ同様にすることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１０８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の構成では、２つのコイルを２重の輪となるように配設しているため、コイルの配置面積が大きくなる。また、各コイルの性能を考慮せず、複数のコイルを単純に併設しただけでは、コイル間の電磁結合によって性能劣化が予想される。特に、コイルを搭載する端末を小型化するために、複数のコイルを近接させた場合、コイル間の電磁結合によって電力伝送効率、通信距離などの性能が劣化する。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１コイルと、第２コイルと、第１磁性体と、第２磁性体とを備え、コイルの厚さ方向において、前記第１磁性体、前記第１コイル、前記第２磁性体、前記第２コイルの順に積層して配置され、前記第１コイルと前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態である非接触無線通信用コイルを提供する。
上記構成により、複数のコイルを共存させる場合に、コイル間の電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化が抑制される。また、複数のコイルを積層して配置することで、配置面積を削減でき、性能劣化の少ないコイルを省スペースで実現可能となる。
【００１０】
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１磁性体の透磁率が前記第２磁性体の透磁率よりも高いものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１コイルの共振周波数が前記第２コイルの共振周波数よりも低いものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１コイルの外周寄りで前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態であるものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第２コイルの少なくとも一部が前記第１コイルの外側に位置しているものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１コイルが非接触電力伝送用であり、前記第２コイルが非接触無線通信用であるものを含む。
【００１１】
また、本発明は、上記いずれかの非接触無線通信用コイルを搭載した携帯無線端末を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す平面図
【図２】第１の実施形態のコイルユニットの断面図であり、（Ａ）は図１のＡ−Ａ′線断面図、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ′線断面図
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は図１のＡ−Ａ′線断面の位置（図２（Ａ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ′線断面の位置（図２（Ｂ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図
【図５】本実施形態のコイルユニットを搭載した携帯無線端末と外部機器としての充電器及びリーダ／ライタ装置の構成を示すブロック図
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は本発明に係る実施例のコイルユニットの寸法を示す図
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る実施例のコイルユニットの性能として、非接触電力伝送時の電力伝送効率と非接触無線通信時の最大通信距離を測定した結果を示す図
【図８】本発明の第２の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図８（Ａ）はコイルユニットの平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図
【図９】本発明の第３の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図９（Ａ）はコイルユニットの平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は第１コイルと第２コイルの内径及び外形を同じにした変形例
【図１１】（Ａ）〜（Ｅ）は第１コイルを楕円環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した変形例
【図１２】（Ａ）〜（Ｅ）は第１コイルを方形角丸の環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した変形例
【図１３】比較例のコイルユニットの構成を示す図であり、図１３（Ａ）はコイルユニットの平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施形態では、非接触無線通信用コイル及びこれを搭載した携帯無線端末の一例として、非接触無線通信用コイルと非接触電力伝送用コイルとを有するコイルユニットと、このコイルユニットを搭載した携帯無線端末の構成例を示す。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す平面図である。図２は第１の実施形態のコイルユニットの断面図であり、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ′線断面図、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ′線断面図である。
【００１６】
本実施形態のコイルユニットは、第１磁性体１１と、非接触電力伝送用コイルとして機能する第１コイル１２と、第２磁性体２１と、非接触無線通信用コイルとして機能する第２コイル２２とを備える。第１磁性体１１は第１コイル１２に対応して設けられ、第２磁性体２１は第２コイル２２に対応して設けられる。
【００１７】
第１磁性体１１は、方形の板状に形成され、板面の一方の面上に第１コイル１２が配置される。第１磁性体１１は、例えばフェライトなどの透磁率が１よりも高い材料で構成される。第１磁性体１１の比透磁率μｒ１は、例えばμｒ１＝２００〜２０００のものを用いる。第１コイル１２は、導体の巻線が楕円環状に巻回されてなるコイルで構成され、充電用のコイルとして、外部の充電器から供給される電力を受電するものである。第１コイル１２の共振周波数ｆ１は、第１コイル１２の共振周波数を、第１コイル１２に並列若しくは直列に接続したコンデンサ等を用いて調整した周波数であり、例えばｆ１≒１００ｋＨｚ程度である。
【００１８】
第２磁性体２１は、方形の環状の板状に形成され、板面の一方の面上に第２コイル２２を搭載した基板３０が配置される。第２磁性体２１は、例えばフェライトなどの透磁率が１よりも高い材料で構成される。第２磁性体２１の比透磁率μｒ２は、例えばμｒ２＝１０〜３００のものを用いる。第２コイル２２は、ガラスエポキシ基板等で構成される基板３０上に形成された導体の配線パターンにより、方形環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２コイル２２は、非接触無線通信用のコイルとして、リーダ／ライタ装置等の外部機器との間でデータを送受信するものである。第２コイル２２の共振周波数ｆ２は、第２コイル２２の共振周波数を、第２コイル２２に並列若しくは直列に接続したコンデンサ等を用いて調整した周波数であり、例えばｆ２≒１３．５６ＭＨｚ程度である。
【００１９】
基板３０の一端部には、第１コイル１２用の第１端子３１と、第２コイル２２用の第２端子３２とが導体の配線パターンにより形成されている。第１端子３１は配線を介して第１コイル１２と接続され、第２端子３２は基板３０の配線パターンによって第２コイル２２と接続されている。
【００２０】
本実施形態のコイルユニットは、コイルの厚さ方向（図２の上下方向）において、図２の下側から矢印Ｈ方向に、第１磁性体１１、第１コイル１２、第２磁性体２１、基板３０、第２コイル２２の順に積層して配置される。コイルユニットを携帯無線端末に搭載する場合、第２コイル２２よりさらに矢印Ｈ方向に筐体が位置し、筐体内にコイルユニットが収納されて設けられる。よって、外部機器側、すなわち携帯無線端末の筐体内壁からみた場合、第２コイル２２、基板３０、第２磁性体２１、第１コイル１２、第１磁性体１１の順に積層して配置される。このように複数の磁性体と複数のコイルを積層した構成とすることで、両コイルの電磁結合による性能劣化を抑制でき、各コイルの性能を確保しつつ、コイルの配置面積を小さくでき、小型化を図れる。
【００２１】
このとき、第１コイル１２と第２コイル２２とは、全部を重ねるようにしてもよいが、少なくとも一部が重ならない領域を有するものが好ましい。すなわち、全部ではなく第１コイル１２と第２コイル２２の少なくとも一部が重なった状態で配置するのが好ましい。図示例では、両コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２の外周の一部と第２コイル２２の内周の一部が重なるように配置されている。また、第１コイル１２は楕円形、第２コイル２２は方形であるので、第２コイル２２の四隅部分が重ならない領域となっており、この四隅部分で第２コイル２２が第１コイル１２の外側に位置している。このような構成により、両コイルの電磁結合を低減できる。
【００２２】
また、本実施形態では、第１コイル１２と第２コイル２２の共振周波数の関係は、第１コイル１２の共振周波数が第２コイル２２の共振周波数よりも低い（ｆ１＜ｆ２）ようにする。そして、第１磁性体１１と第２磁性体２１の透磁率の関係は、第１磁性体１１の透磁率が第２磁性体２１の透磁率よりも高い（比透磁率μｒ１＞μｒ２）ようにするのが好ましい。上記のようにコイル及び磁性体の特性を設定することにより、両コイルの電磁結合による性能劣化をより効果的に低減できる。
【００２３】
次に、本実施形態のコイルユニットの動作時の作用を説明する。図３は図１のＡ−Ａ′線断面の位置（図２（Ａ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図であり、図３（Ａ）は第１コイル１２の動作時、図３（Ｂ）は第２コイル２２の動作時をそれぞれ示したものである。図４は図１のＢ−Ｂ′線断面の位置（図２（Ｂ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図であり、図４（Ａ）は第１コイル１２の動作時、図４（Ｂ）は第２コイル２２の動作時をそれぞれ示したものである。
【００２４】
第１コイル１２の動作時、すなわち電力伝送時には、図３（Ａ）、図４（Ａ）に示すように、第１コイル１２の近傍において、磁力線が第１磁性体１１の中を通過して空間に出るように磁界が発生する。この場合、第１コイル１２から第２コイル２２への磁界の影響は少ない。また、第２コイル２２の動作時、すなわち非接触無線通信のデータ伝送時には、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示すように、第２コイル２２の近傍において、磁力線が第２磁性体２１の中を通過して空間に出るように磁界が発生する。この場合、第２コイル２２から第１コイル１２への磁界の影響は少ない。
【００２５】
本実施形態では、積層された第１コイル１２と第２コイル２２において、重ならない領域を有するため、コイル間の電磁結合が小さくなる。特に、図４（Ａ）、（Ｂ）のように両コイルが重なっていないコイルの四隅の領域では、電磁結合を十分小さくできる。
【００２６】
図５は本実施形態のコイルユニットを搭載した携帯無線端末と外部機器としての充電器及びリーダ／ライタ装置の構成を示すブロック図である。
【００２７】
携帯無線端末５０は、充電用の第１コイル１２と、非接触無線通信用の第２コイル２２とを備える。第１コイル１２は非接触充電部５１と接続され、第２コイル２２は非接触無線通信部５２と接続される。ここで、第１コイル１２には、コンデンサ５４が並列に接続され、さらに非接触充電部５１の整流回路５５と接続されている。第２コイル２２には、コンデンサ５６が並列に接続され、さらに非接触無線通信部５２の変復調回路５７と接続される。非接触充電部５１及び非接触無線通信部５２は、制御回路５３と接続され、制御回路５３によって各部の動作が制御される。
【００２８】
充電器６０は、非接触電力伝送用コイル６３を備える。非接触電力伝送用コイル６３には、コンデンサ６４が並列に接続され、さらに交流電源回路６１と接続されている。交流電源回路６１は、制御回路６２と接続され、制御回路６２によって充電用の交流電力の出力が制御される。
【００２９】
リーダ／ライタ装置７０は、非接触無線通信用コイル７３を備える。非接触無線通信用コイル７３には、コンデンサ７４が並列に接続され、さらに変復調回路７１と接続されている。変復調回路７１は、制御回路７２と接続され、制御回路７２によって非接触無線通信によるデータの変調、復調の動作が制御される。
【００３０】
上記構成において、携帯無線端末５０の充電を行う場合は、充電器６０の非接触電力伝送用コイル６３と携帯無線端末５０の第１コイル１２とを近接させて対向して配置し、充電器６０から携帯無線端末５０へ給電する。このとき、非接触電力伝送用コイル６３と第１コイル１２とが電磁結合し、両コイルを介して非接触で充電用の電力が伝送される。非接触電力伝送用コイル６３から第１コイル１２へ給電するための共振周波数ｆ１は、第１コイル１２に並列に接続したコンデンサ５４及び、非接触電力伝送用コイル６３に並列に接続したコンデンサ６４によって調整され、ここではｆ１＝１００ｋＨｚである。交流電源回路６１で発生し出力した交流電力は、非接触電力伝送用コイル６３から第１コイル１２に伝送され、携帯無線端末５０にて受電される。伝送された交流電力は、整流回路５５にて整流されて直流電力に変換され、その直流出力が電池部５８に供給されることにより充電が行われる。なお、直流出力を携帯無線端末５０内の回路に供給し、各部の動作電源とすることも可能である。
【００３１】
非接触無線通信を行う場合は、リーダ／ライタ装置７０の非接触無線通信用コイル７３と携帯無線端末５０の第２コイル２２とを近接させて対向して配置し、リーダ／ライタ装置７０と携帯無線端末５０との間でデータの送受信を行う。このとき、非接触無線通信用コイル７３と第２コイル２２が電磁結合し、両コイルを介して非接触無線通信のデータ伝送が行われる。非接触無線通信用コイル７３と第２コイル２２との間で通信するための共振周波数ｆ２は、第２コイル２２に並列に接続したコンデンサ５６及び、非接触無線通信用コイル７３に並列に接続したコンデンサ７４によって調整され、ここではｆ２＝１３．５６ＭＨｚである。リーダ／ライタ装置７０から携帯無線端末５０へ伝送するデータは、変復調回路７１で変調され、非接触無線通信用コイル７３から第２コイル２２に伝送され、携帯無線端末５０にて受信される。伝送されたデータは、携帯無線端末５０の変復調回路５７で復調される。携帯無線端末５０からリーダ／ライタ装置７０へ伝送するデータは、変復調回路５７で変調され、第２コイル２２から非接触無線通信用コイル７３に伝送され、リーダ／ライタ装置７０にて受信される。伝送されたデータは、リーダ／ライタ装置７０の変復調回路７１で復調される。このように、携帯無線端末５０の非接触無線通信機能を用いて、リーダ／ライタ装置７０から携帯無線端末５０に対して非接触無線通信によるデータの書き込み、読み出しが可能である。
【００３２】
次に、本実施形態のコイルユニットの性能について、実際に作製した評価サンプルを用いて測定した実施例を示す。図６は実施例のコイルユニットの寸法を示す図である。図６（Ａ）は第１コイル１２のみ、図６（Ｂ）は第２コイル２２のみ、図６（Ｃ）は第１コイル１２と第２コイル２２とを積層して組み合わせたコイルユニット（図１の構成）、図６（Ｄ）は図６（Ｃ）で示したコイルユニットの断面をそれぞれ示している。
【００３３】
実施例では、第１磁性体１１の長辺ａ＝４８ｍｍ、短辺ｂ＝３２ｍｍ、第１コイル１２の長手方向の外径ｃ＝４１ｍｍ、短手方向の外径ｄ＝３０ｍｍ、第２磁性体２１及び第２コイル２２の長辺ｅ＝４１ｍｍ、短辺ｆ＝３１ｍｍ、これらを積層したコイルユニットの厚さｇ＝１．５ｍｍとした。この場合、第１コイル１２と第２コイル２２を積層した状態において、両コイルの外周寸法は略一致して重なっており、内周側に両コイルが重ならない領域が存在している。また、第１コイル１２は楕円形、第２コイル２２は方形であるので、第２コイル２２の四隅部分が重ならない領域となっている。
【００３４】
図７は図６に示した実施例のコイルユニットの性能として、非接触電力伝送時の電力伝送効率と非接触無線通信時の最大通信距離を測定した結果を示す図である。図７（Ａ）は電力伝送効率の測定結果、図７（Ｂ）は最大通信距離の測定結果をそれぞれ示している。ここでは、電力伝送効率は、コイルのみの伝送効率ではなく、図５に示したような充電器の交流電源回路から携帯無線端末の直流出力までを含めた充電システム全体の効率を測定した。
【００３５】
図６（Ａ）に示した第１コイル１２単体の状態では、電力伝送効率が４０．３［％］であった。また、図６（Ｃ）に示した第１コイル１２と第２コイル２２とを共存させた状態では、電力伝送効率が４０．４［％］であった。この場合、２つのコイルを積層して共存させた状態であり、第１コイル１２の外部機器側に第２コイル２２が配置されていても、非接触電力伝送において電磁結合による性能劣化が生じない。
【００３６】
図６（Ｂ）に示した第２コイル２２単体の状態では、最大通信距離が１２６［ｍｍ］、不感領域（Ｎｕｌｌ領域）は生じなかった。また、図６（Ｃ）に示した第１コイル１２と第２コイル２２とを共存させた状態では、最大通信距離が１２７［ｍｍ］、不感領域（Ｎｕｌｌ領域）は生じなかった。この場合、２つのコイルを積層して共存させた状態であり、第２コイル２２の近傍に第１コイル１２が配置されていても、非接触無線通信において電磁結合による性能劣化が生じない。
なお、図６（Ｃ）の状態から、第２磁性体２１を取り除いた状態では、コイル間の電磁結合により最大通信距離が１２０［ｍｍ］に劣化することを確認しており、第２コイルに対応する第２磁性体２１を第１コイルとの間に設けることにより、非接触無線通信において電磁結合の発生を抑制でき、最大通信距離を向上できる。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、第１コイル１２及び第２コイル２２の複数のコイルを共存させる場合に、コイル間の電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化を抑制できる。また、複数のコイルを積層して配置することで、配置面積を削減でき、性能劣化の少ないコイルを省スペースで実現できる。このため、本実施形態の非接触無線通信用コイルを含むコイルユニットを搭載した携帯無線端末において、小型化を図りつつ、非接触電力伝送時と非接触無線通信時の双方の性能劣化を抑制でき、省スペースのコイルユニットで所望の性能を得ることが可能となる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図８は本発明の第２の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図８（Ａ）はコイルユニットの平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図１及び図２に示した第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
第２の実施形態は、第１の実施形態における第１コイルの形状を変更した例である。第１磁性体１１Ａは、第１の実施形態と同様、方形の板状に形成されている。第１コイル１２Ａは、導体の巻線が方形角丸の環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２磁性体２１Ａ及び第２コイル２２Ａは第１の実施形態と略同様の構成である。すなわち、第２磁性体２１Ａは方形の環状の板状に形成され、第２コイル２２Ａは、ガラスエポキシ基板等の基板３０Ａ上に形成された導体の配線パターンにより、方形環状に巻回されてなるコイルで構成される。
【００４０】
そして、第１の実施形態と同様に、コイルの厚さ方向（図８（Ｂ）、図８（Ｃ）の上下方向）において、下側から矢印Ｈ方向に、第１磁性体１１Ａ、第１コイル１２Ａ、第２磁性体２１Ａ、基板３０Ａ、第２コイル２２Ａの順に積層して配置される。外部機器側、すなわち携帯無線端末の筐体内壁からみた場合、第２コイル２２Ａ、基板３０Ａ、第２磁性体２１Ａ、第１コイル１２Ａ、第１磁性体１１Ａの順に積層して配置される。
【００４１】
第１コイル１２Ａと第２コイル２２Ａとは、一部に重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ａと第２コイル２２Ａの少なくとも一部が重なった状態で配置される。このとき、コイルの内周側に両コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ａと第２コイル２２Ａの外側が重なるように配置されている。また、第１コイル１２Ａは方形角丸形状、第２コイル２２Ａは方形であるので、第２コイル２２Ａの四隅部分が重ならない領域となっている。
【００４２】
このような構成により、第１の実施形態と同様、２つのコイルを積層して共存させた状態であっても、両コイルの電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化を抑制できる。また、２つのコイルを積層して配置することで、小型化を図れる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図９は本発明の第３の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図９（Ａ）はコイルユニットの平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図１及び図２に示した第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００４４】
第３の実施形態は、第１の実施形態における第２コイルの形状を変更した例である。第１磁性体１１Ｂ及び第１コイル１２Ｂは第１の実施形態と略同様の構成である。すなわち、第１磁性体１１Ｂは方形の板状に形成され、第１コイル１２Ｂは、導体の巻線が楕円環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２磁性体２１Ｂは、楕円環状の板状に形成され、第２コイル２２Ｂは、ガラスエポキシ基板等の基板３０Ｂ上に形成された導体の配線パターンにより、楕円環状に巻回されてなるコイルで構成される。
【００４５】
そして、第１の実施形態と同様に、コイルの厚さ方向（図９（Ｂ）、図９（Ｃ）の上下方向）において、下側から矢印Ｈ方向に、第１磁性体１１Ｂ、第１コイル１２Ｂ、第２磁性体２１Ｂ、基板３０Ｂ、第２コイル２２Ｂの順に積層して配置される。外部機器側、すなわち携帯無線端末の筐体内壁からみた場合、第２コイル２２Ｂ、基板３０Ｂ、第２磁性体２１Ｂ、第１コイル１２Ｂ、第１磁性体１１Ｂの順に積層して配置される。
【００４６】
第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂとは、一部に重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂの少なくとも一部が重なった状態で配置される。このとき、コイルの内周側に両コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂの外側が重なるように配置されている。すなわち、第１コイル１２Ｂの外周寄りで第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂの少なくとも一部が重なった構造となっている。
【００４７】
このような構成により、第１の実施形態と同様、２つのコイルを積層して共存させた状態であっても、両コイルの電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化を抑制できる。また、２つのコイルを積層して配置することで、小型化を図れる。
【００４８】
（変形例）
以下に、第１コイルと第２コイルの配置を変更した変形例をいくつか示す。
【００４９】
図１０は第１コイルと第２コイルの内径及び外形を同じにした例である。図１０（Ａ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｃと、方形環状の第２コイル２２Ｃとを積層して配置したものである。図１０（Ｂ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｄと、方形環状の第２コイル２２Ｄとを積層して配置したものである。
【００５０】
この場合、第１コイルと第２コイルとはほぼ全部が重なった状態であるが、図２に示したように第２コイルに対応する第２磁性体を第１コイルとの間に設けることで、電磁結合による性能劣化を低減できる。
【００５１】
図１１は、図１と同様に第１コイルを楕円環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した例である。図１１（Ａ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｅと方形環状の第２コイル２２Ｅとをコイル長手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１１（Ｂ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｆと方形環状の第２コイル２２Ｆとをコイル短手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５２】
図１１（Ｃ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｇと方形環状の第２コイル２２Ｇとを隣り合う２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１１（Ｄ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｈと方形環状の第２コイル２２Ｈとを１辺の外周側で重ねて配置したものである。図１１（Ｅ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｉと方形環状の第２コイル２２Ｉとを３辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５３】
この場合も第１の実施形態と同様、第１コイルの外周側の一部で第２コイルと重なった状態であるが、図２に示したように第２コイルに対応する第２磁性体を第１コイルとの間に設けることで、電磁結合による性能劣化を低減できる。
また、第１コイルと第２コイルとが重ならない辺が多いほど、コイル全体の配置面積が大きくなる一方で、コイル間の電磁結合による特性劣化をより軽減できる。
【００５４】
図１２は、図８と同様に第１コイルを方形角丸の環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した例である。図１２（Ａ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｊと方形環状の第２コイル２２Ｊとをコイル長手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１２（Ｂ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｋと方形環状の第２コイル２２Ｋとをコイル短手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５５】
図１２（Ｃ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｌと方形環状の第２コイル２２Ｌとを隣り合う２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１２（Ｄ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｍと方形環状の第２コイル２２Ｍとを１辺の外周側で重ねて配置したものである。図１２（Ｅ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｎと方形環状の第２コイル２２Ｎとを３辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５６】
この場合も第１、第２の実施形態と同様、第１コイルの外周側の一部で第２コイルと重なった状態であるが、図２および図８に示したように第２コイルに対応する第２磁性体を第１コイルとの間に設けることで、電磁結合による性能劣化を低減できる。
また、第１コイルと第２コイルとが重ならない辺が多いほど、コイル全体の配置面積が大きくなる一方で、コイル間の電磁結合による特性劣化をより軽減できる。
【００５７】
（比較例）
図１３は比較例のコイルユニットの構成を示す図であり、図１３（Ａ）はコイルユニットの平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００５８】
比較例のコイルユニットは、第１磁性体５１１と、非接触電力伝送用コイルとして機能する第１コイル５１２と、非接触無線通信用コイルとして機能する第２コイル５２２とを備える。
【００５９】
第１磁性体５１１は、方形の板状に形成され、板面の一方の面上に第１コイル５１２及び第２コイル５２２が配置される。第１コイル５１２は、導体の巻線が楕円環状に巻回されてなるコイルで構成され、充電用のコイルとして、外部の充電器から供給される電力を受電するものである。第２コイル５２２は、ガラスエポキシ基板等で構成される基板５３０上に形成された導体の配線パターンにより、楕円環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２コイル５２２は、非接触無線通信用のコイルとして、リーダ／ライタ装置等の外部機器との間でデータを送受信するものである。第２コイル５２２は、第１コイル５１２の外周側に配置され、第１コイル５１２と第２コイル５２２とが重ならずに略同一平面上に位置している。
【００６０】
基板５３０の一端部には、第１コイル５１２用の第１端子５３１と、第２コイル５２２用の第２端子５３２とが導体の配線パターンにより形成されている。第１端子５３１は配線を介して第１コイル５１２と接続され、第２端子５３２は基板５３０の配線パターンによって第２コイル５２２と接続されている。
【００６１】
この比較例では、第１コイル５１２と第２コイル５２２とを積層せずに配置し、また、第２磁性体を設けない構成となっているので、第１コイル５１２と第２コイル５２２とが近接すると、両コイル間の電磁結合が大きくなり、その影響によって性能劣化が生じ、例えば非接触無線通信の最大通信距離が１１７［ｍｍ］に劣化することを確認しており、本発明の実施形態のコイルユニットによる非接触無線通信の最大通信距離の向上を実現することが困難となる。また、第１コイル５１２の外側に第２コイル５２２を配置して、２つのコイルを重ならないように併設することで、コイルの配置面積が大きくなり、コイルユニットを搭載する無線通信端末が大型になる。
【００６２】
一方、本発明に係る実施形態では、上述した構成によって、複数のコイルを共存させる場合に、構成の小型化と各コイルの性能劣化の抑制とを両立することができる。
【００６３】
なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にできるという効果を有し、例えば携帯電話端末、スマートフォン等の非接触無線通信が可能な非接触無線通信用コイル、及びこれを搭載した携帯無線端末等として有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１１、１１Ａ、１１Ｂ 第１磁性体
１２、１２Ａ〜１２Ｎ 第１コイル
２１、２１Ａ、２１Ｂ 第２磁性体
２２、２２Ａ〜２２Ｎ 第２コイル
３０、３０Ａ、３０Ｂ 基板
３１ 第１端子
３２ 第２端子
５０ 携帯無線端末
５１ 非接触充電部
５２ 非接触無線通信部
５３ 制御回路
５５ 整流回路
５７ 変復調回路
５８ 電池
６０ 充電器
６１ 交流電源回路
６２ 制御回路
６３ 非接触電力伝送用コイル
７０ リーダ／ライタ装置
７１ 変復調回路
７２ 制御回路
７３ 非接触無線通信用コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触無線通信が可能な非接触無線通信用コイル、及びこれを搭載した携帯無線端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば携帯電話端末、スマートフォンなどの携帯無線端末では、ＦｅｌｉＣａ（登録商標）等を含むＮＦＣ（Near Field Communication）等の非接触無線通信（いわゆるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification））の機能を搭載したものが普及している。この種の非接触無線通信によって、電子マネー機能、乗車券機能などを実現している。
【０００３】
また、携帯無線端末において、近年、非接触で電力を伝送することにより、電池の充電（非接触充電）を行う機能を搭載したものが用いられつつある。非接触電力伝送の方式としては、電磁誘導方式、磁界共鳴方式などがあり、給電側のコイルと受電側のコイルを対向させて電力伝送を行うものが主流である。
【０００４】
非接触充電機能を搭載した携帯無線端末では、充電用コイルが電池パックと一体化されたものが主流となっている。このため、さらなる端末の薄型化のために電池パックを薄くしようとすると、電池容量が少なくなるという大きな課題がある。一方、充電用コイルを電池パックと別体に構成する場合、上記の非接触無線通信機能を搭載した携帯無線端末では、非接触無線通信用コイルとの共存が課題となる。
【０００５】
ここで、非接触無線通信用コイルと非接触電力伝送用コイルとを共存させる場合を想定する。２つのコイルを設けた従来例として、例えば特許文献１には、電力波用アンテナを形成する第１のコイルとデータ波用アンテナを形成する第２のコイルとを２重の輪となるように配設した無線カードが開示されている。この構成により、無線カードを保持する手の指などで第１のコイル及び第２のコイルが覆われるおそれが少なく、双方のコイルの受信状況をほぼ同様にすることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１０８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の構成では、２つのコイルを２重の輪となるように配設しているため、コイルの配置面積が大きくなる。また、各コイルの性能を考慮せず、複数のコイルを単純に併設しただけでは、コイル間の電磁結合によって性能劣化が予想される。特に、コイルを搭載する端末を小型化するために、複数のコイルを近接させた場合、コイル間の電磁結合によって電力伝送効率、通信距離などの性能が劣化する。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１コイルと、第２コイルと、第１磁性体と、第２磁性体とを備え、コイルの厚さ方向において、前記第１磁性体、前記第１コイル、前記第２磁性体、前記第２コイルの順に積層して配置され、前記第１コイルと前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態である非接触無線通信用コイルを提供する。
上記構成により、複数のコイルを共存させる場合に、コイル間の電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化が抑制される。また、複数のコイルを積層して配置することで、配置面積を削減でき、性能劣化の少ないコイルを省スペースで実現可能となる。
【００１０】
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１磁性体の透磁率が前記第２磁性体の透磁率よりも高いものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１コイルの共振周波数が前記第２コイルの共振周波数よりも低いものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１コイルの外周寄りで前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態であるものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第２コイルの少なくとも一部が前記第１コイルの外側に位置しているものを含む。
また、本発明は、上記の非接触無線通信用コイルであって、前記第１コイルが非接触電力伝送用であり、前記第２コイルが非接触無線通信用であるものを含む。
【００１１】
また、本発明は、上記いずれかの非接触無線通信用コイルを搭載した携帯無線端末を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す平面図
【図２】第１の実施形態のコイルユニットの断面図であり、（Ａ）は図１のＡ−Ａ′線断面図、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ′線断面図
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は図１のＡ−Ａ′線断面の位置（図２（Ａ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ′線断面の位置（図２（Ｂ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図
【図５】本実施形態のコイルユニットを搭載した携帯無線端末と外部機器としての充電器及びリーダ／ライタ装置の構成を示すブロック図
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は本発明に係る実施例のコイルユニットの寸法を示す図
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る実施例のコイルユニットの性能として、非接触電力伝送時の電力伝送効率と非接触無線通信時の最大通信距離を測定した結果を示す図
【図８】本発明の第２の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図８（Ａ）はコイルユニットの平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図
【図９】本発明の第３の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図９（Ａ）はコイルユニットの平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は第１コイルと第２コイルの内径及び外形を同じにした変形例
【図１１】（Ａ）〜（Ｅ）は第１コイルを楕円環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した変形例
【図１２】（Ａ）〜（Ｅ）は第１コイルを方形角丸の環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した変形例
【図１３】比較例のコイルユニットの構成を示す図であり、図１３（Ａ）はコイルユニットの平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施形態では、非接触無線通信用コイル及びこれを搭載した携帯無線端末の一例として、非接触無線通信用コイルと非接触電力伝送用コイルとを有するコイルユニットと、このコイルユニットを搭載した携帯無線端末の構成例を示す。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す平面図である。図２は第１の実施形態のコイルユニットの断面図であり、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ′線断面図、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ′線断面図である。
【００１６】
本実施形態のコイルユニットは、第１磁性体１１と、非接触電力伝送用コイルとして機能する第１コイル１２と、第２磁性体２１と、非接触無線通信用コイルとして機能する第２コイル２２とを備える。第１磁性体１１は第１コイル１２に対応して設けられ、第２磁性体２１は第２コイル２２に対応して設けられる。
【００１７】
第１磁性体１１は、方形の板状に形成され、板面の一方の面上に第１コイル１２が配置される。第１磁性体１１は、例えばフェライトなどの透磁率が１よりも高い材料で構成される。第１磁性体１１の比透磁率μｒ１は、例えばμｒ１＝２００〜２０００のものを用いる。第１コイル１２は、導体の巻線が楕円環状に巻回されてなるコイルで構成され、充電用のコイルとして、外部の充電器から供給される電力を受電するものである。第１コイル１２の共振周波数ｆ１は、第１コイル１２の共振周波数を、第１コイル１２に並列若しくは直列に接続したコンデンサ等を用いて調整した周波数であり、例えばｆ１≒１００ｋＨｚ程度である。
【００１８】
第２磁性体２１は、方形の環状の板状に形成され、板面の一方の面上に第２コイル２２を搭載した基板３０が配置される。第２磁性体２１は、例えばフェライトなどの透磁率が１よりも高い材料で構成される。第２磁性体２１の比透磁率μｒ２は、例えばμｒ２＝１０〜３００のものを用いる。第２コイル２２は、ガラスエポキシ基板等で構成される基板３０上に形成された導体の配線パターンにより、方形環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２コイル２２は、非接触無線通信用のコイルとして、リーダ／ライタ装置等の外部機器との間でデータを送受信するものである。第２コイル２２の共振周波数ｆ２は、第２コイル２２の共振周波数を、第２コイル２２に並列若しくは直列に接続したコンデンサ等を用いて調整した周波数であり、例えばｆ２≒１３．５６ＭＨｚ程度である。
【００１９】
基板３０の一端部には、第１コイル１２用の第１端子３１と、第２コイル２２用の第２端子３２とが導体の配線パターンにより形成されている。第１端子３１は配線を介して第１コイル１２と接続され、第２端子３２は基板３０の配線パターンによって第２コイル２２と接続されている。
【００２０】
本実施形態のコイルユニットは、コイルの厚さ方向（図２の上下方向）において、図２の下側から矢印Ｈ方向に、第１磁性体１１、第１コイル１２、第２磁性体２１、基板３０、第２コイル２２の順に積層して配置される。コイルユニットを携帯無線端末に搭載する場合、第２コイル２２よりさらに矢印Ｈ方向に筐体が位置し、筐体内にコイルユニットが収納されて設けられる。よって、外部機器側、すなわち携帯無線端末の筐体内壁からみた場合、第２コイル２２、基板３０、第２磁性体２１、第１コイル１２、第１磁性体１１の順に積層して配置される。このように複数の磁性体と複数のコイルを積層した構成とすることで、両コイルの電磁結合による性能劣化を抑制でき、各コイルの性能を確保しつつ、コイルの配置面積を小さくでき、小型化を図れる。
【００２１】
このとき、第１コイル１２と第２コイル２２とは、全部を重ねるようにしてもよいが、少なくとも一部が重ならない領域を有するものが好ましい。すなわち、全部ではなく第１コイル１２と第２コイル２２の少なくとも一部が重なった状態で配置するのが好ましい。図示例では、両コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２の外周の一部と第２コイル２２の内周の一部が重なるように配置されている。また、第１コイル１２は楕円形、第２コイル２２は方形であるので、第２コイル２２の四隅部分が重ならない領域となっており、この四隅部分で第２コイル２２が第１コイル１２の外側に位置している。このような構成により、両コイルの電磁結合を低減できる。
【００２２】
また、本実施形態では、第１コイル１２と第２コイル２２の共振周波数の関係は、第１コイル１２の共振周波数が第２コイル２２の共振周波数よりも低い（ｆ１＜ｆ２）ようにする。そして、第１磁性体１１と第２磁性体２１の透磁率の関係は、第１磁性体１１の透磁率が第２磁性体２１の透磁率よりも高い（比透磁率μｒ１＞μｒ２）ようにするのが好ましい。上記のようにコイル及び磁性体の特性を設定することにより、両コイルの電磁結合による性能劣化をより効果的に低減できる。
【００２３】
次に、本実施形態のコイルユニットの動作時の作用を説明する。図３は図１のＡ−Ａ′線断面の位置（図２（Ａ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図であり、図３（Ａ）は第１コイル１２の動作時、図３（Ｂ）は第２コイル２２の動作時をそれぞれ示したものである。図４は図１のＢ−Ｂ′線断面の位置（図２（Ｂ）の位置）におけるコイルユニットの磁界分布を示す図であり、図４（Ａ）は第１コイル１２の動作時、図４（Ｂ）は第２コイル２２の動作時をそれぞれ示したものである。
【００２４】
第１コイル１２の動作時、すなわち電力伝送時には、図３（Ａ）、図４（Ａ）に示すように、第１コイル１２の近傍において、磁力線が第１磁性体１１の中を通過して空間に出るように磁界が発生する。この場合、第１コイル１２から第２コイル２２への磁界の影響は少ない。また、第２コイル２２の動作時、すなわち非接触無線通信のデータ伝送時には、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示すように、第２コイル２２の近傍において、磁力線が第２磁性体２１の中を通過して空間に出るように磁界が発生する。この場合、第２コイル２２から第１コイル１２への磁界の影響は少ない。
【００２５】
本実施形態では、積層された第１コイル１２と第２コイル２２において、重ならない領域を有するため、コイル間の電磁結合が小さくなる。特に、図４（Ａ）、（Ｂ）のように両コイルが重なっていないコイルの四隅の領域では、電磁結合を十分小さくできる。
【００２６】
図５は本実施形態のコイルユニットを搭載した携帯無線端末と外部機器としての充電器及びリーダ／ライタ装置の構成を示すブロック図である。
【００２７】
携帯無線端末５０は、充電用の第１コイル１２と、非接触無線通信用の第２コイル２２とを備える。第１コイル１２は非接触充電部５１と接続され、第２コイル２２は非接触無線通信部５２と接続される。ここで、第１コイル１２には、コンデンサ５４が並列に接続され、さらに非接触充電部５１の整流回路５５と接続されている。第２コイル２２には、コンデンサ５６が並列に接続され、さらに非接触無線通信部５２の変復調回路５７と接続される。非接触充電部５１及び非接触無線通信部５２は、制御回路５３と接続され、制御回路５３によって各部の動作が制御される。
【００２８】
充電器６０は、非接触電力伝送用コイル６３を備える。非接触電力伝送用コイル６３には、コンデンサ６４が並列に接続され、さらに交流電源回路６１と接続されている。交流電源回路６１は、制御回路６２と接続され、制御回路６２によって充電用の交流電力の出力が制御される。
【００２９】
リーダ／ライタ装置７０は、非接触無線通信用コイル７３を備える。非接触無線通信用コイル７３には、コンデンサ７４が並列に接続され、さらに変復調回路７１と接続されている。変復調回路７１は、制御回路７２と接続され、制御回路７２によって非接触無線通信によるデータの変調、復調の動作が制御される。
【００３０】
上記構成において、携帯無線端末５０の充電を行う場合は、充電器６０の非接触電力伝送用コイル６３と携帯無線端末５０の第１コイル１２とを近接させて対向して配置し、充電器６０から携帯無線端末５０へ給電する。このとき、非接触電力伝送用コイル６３と第１コイル１２とが電磁結合し、両コイルを介して非接触で充電用の電力が伝送される。非接触電力伝送用コイル６３から第１コイル１２へ給電するための共振周波数ｆ１は、第１コイル１２に並列に接続したコンデンサ５４及び、非接触電力伝送用コイル６３に並列に接続したコンデンサ６４によって調整され、ここではｆ１＝１００ｋＨｚである。交流電源回路６１で発生し出力した交流電力は、非接触電力伝送用コイル６３から第１コイル１２に伝送され、携帯無線端末５０にて受電される。伝送された交流電力は、整流回路５５にて整流されて直流電力に変換され、その直流出力が電池部５８に供給されることにより充電が行われる。なお、直流出力を携帯無線端末５０内の回路に供給し、各部の動作電源とすることも可能である。
【００３１】
非接触無線通信を行う場合は、リーダ／ライタ装置７０の非接触無線通信用コイル７３と携帯無線端末５０の第２コイル２２とを近接させて対向して配置し、リーダ／ライタ装置７０と携帯無線端末５０との間でデータの送受信を行う。このとき、非接触無線通信用コイル７３と第２コイル２２が電磁結合し、両コイルを介して非接触無線通信のデータ伝送が行われる。非接触無線通信用コイル７３と第２コイル２２との間で通信するための共振周波数ｆ２は、第２コイル２２に並列に接続したコンデンサ５６及び、非接触無線通信用コイル７３に並列に接続したコンデンサ７４によって調整され、ここではｆ２＝１３．５６ＭＨｚである。リーダ／ライタ装置７０から携帯無線端末５０へ伝送するデータは、変復調回路７１で変調され、非接触無線通信用コイル７３から第２コイル２２に伝送され、携帯無線端末５０にて受信される。伝送されたデータは、携帯無線端末５０の変復調回路５７で復調される。携帯無線端末５０からリーダ／ライタ装置７０へ伝送するデータは、変復調回路５７で変調され、第２コイル２２から非接触無線通信用コイル７３に伝送され、リーダ／ライタ装置７０にて受信される。伝送されたデータは、リーダ／ライタ装置７０の変復調回路７１で復調される。このように、携帯無線端末５０の非接触無線通信機能を用いて、リーダ／ライタ装置７０から携帯無線端末５０に対して非接触無線通信によるデータの書き込み、読み出しが可能である。
【００３２】
次に、本実施形態のコイルユニットの性能について、実際に作製した評価サンプルを用いて測定した実施例を示す。図６は実施例のコイルユニットの寸法を示す図である。図６（Ａ）は第１コイル１２のみ、図６（Ｂ）は第２コイル２２のみ、図６（Ｃ）は第１コイル１２と第２コイル２２とを積層して組み合わせたコイルユニット（図１の構成）、図６（Ｄ）は図６（Ｃ）で示したコイルユニットの断面をそれぞれ示している。
【００３３】
実施例では、第１磁性体１１の長辺ａ＝４８ｍｍ、短辺ｂ＝３２ｍｍ、第１コイル１２の長手方向の外径ｃ＝４１ｍｍ、短手方向の外径ｄ＝３０ｍｍ、第２磁性体２１及び第２コイル２２の長辺ｅ＝４１ｍｍ、短辺ｆ＝３１ｍｍ、これらを積層したコイルユニットの厚さｇ＝１．５ｍｍとした。この場合、第１コイル１２と第２コイル２２を積層した状態において、両コイルの外周寸法は略一致して重なっており、内周側に両コイルが重ならない領域が存在している。また、第１コイル１２は楕円形、第２コイル２２は方形であるので、第２コイル２２の四隅部分が重ならない領域となっている。
【００３４】
図７は図６に示した実施例のコイルユニットの性能として、非接触電力伝送時の電力伝送効率と非接触無線通信時の最大通信距離を測定した結果を示す図である。図７（Ａ）は電力伝送効率の測定結果、図７（Ｂ）は最大通信距離の測定結果をそれぞれ示している。ここでは、電力伝送効率は、コイルのみの伝送効率ではなく、図５に示したような充電器の交流電源回路から携帯無線端末の直流出力までを含めた充電システム全体の効率を測定した。
【００３５】
図６（Ａ）に示した第１コイル１２単体の状態では、電力伝送効率が４０．３［％］であった。また、図６（Ｃ）に示した第１コイル１２と第２コイル２２とを共存させた状態では、電力伝送効率が４０．４［％］であった。この場合、２つのコイルを積層して共存させた状態であり、第１コイル１２の外部機器側に第２コイル２２が配置されていても、非接触電力伝送において電磁結合による性能劣化が生じない。
【００３６】
図６（Ｂ）に示した第２コイル２２単体の状態では、最大通信距離が１２６［ｍｍ］、不感領域（Ｎｕｌｌ領域）は生じなかった。また、図６（Ｃ）に示した第１コイル１２と第２コイル２２とを共存させた状態では、最大通信距離が１２７［ｍｍ］、不感領域（Ｎｕｌｌ領域）は生じなかった。この場合、２つのコイルを積層して共存させた状態であり、第２コイル２２の近傍に第１コイル１２が配置されていても、非接触無線通信において電磁結合による性能劣化が生じない。
なお、図６（Ｃ）の状態から、第２磁性体２１を取り除いた状態では、コイル間の電磁結合により最大通信距離が１２０［ｍｍ］に劣化することを確認しており、第２コイルに対応する第２磁性体２１を第１コイルとの間に設けることにより、非接触無線通信において電磁結合の発生を抑制でき、最大通信距離を向上できる。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、第１コイル１２及び第２コイル２２の複数のコイルを共存させる場合に、コイル間の電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化を抑制できる。また、複数のコイルを積層して配置することで、配置面積を削減でき、性能劣化の少ないコイルを省スペースで実現できる。このため、本実施形態の非接触無線通信用コイルを含むコイルユニットを搭載した携帯無線端末において、小型化を図りつつ、非接触電力伝送時と非接触無線通信時の双方の性能劣化を抑制でき、省スペースのコイルユニットで所望の性能を得ることが可能となる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図８は本発明の第２の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図８（Ａ）はコイルユニットの平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図１及び図２に示した第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
第２の実施形態は、第１の実施形態における第１コイルの形状を変更した例である。第１磁性体１１Ａは、第１の実施形態と同様、方形の板状に形成されている。第１コイル１２Ａは、導体の巻線が方形角丸の環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２磁性体２１Ａ及び第２コイル２２Ａは第１の実施形態と略同様の構成である。すなわち、第２磁性体２１Ａは方形の環状の板状に形成され、第２コイル２２Ａは、ガラスエポキシ基板等の基板３０Ａ上に形成された導体の配線パターンにより、方形環状に巻回されてなるコイルで構成される。
【００４０】
そして、第１の実施形態と同様に、コイルの厚さ方向（図８（Ｂ）、図８（Ｃ）の上下方向）において、下側から矢印Ｈ方向に、第１磁性体１１Ａ、第１コイル１２Ａ、第２磁性体２１Ａ、基板３０Ａ、第２コイル２２Ａの順に積層して配置される。外部機器側、すなわち携帯無線端末の筐体内壁からみた場合、第２コイル２２Ａ、基板３０Ａ、第２磁性体２１Ａ、第１コイル１２Ａ、第１磁性体１１Ａの順に積層して配置される。
【００４１】
第１コイル１２Ａと第２コイル２２Ａとは、一部に重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ａと第２コイル２２Ａの少なくとも一部が重なった状態で配置される。このとき、コイルの内周側に両コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ａと第２コイル２２Ａの外側が重なるように配置されている。また、第１コイル１２Ａは方形角丸形状、第２コイル２２Ａは方形であるので、第２コイル２２Ａの四隅部分が重ならない領域となっている。
【００４２】
このような構成により、第１の実施形態と同様、２つのコイルを積層して共存させた状態であっても、両コイルの電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化を抑制できる。また、２つのコイルを積層して配置することで、小型化を図れる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図９は本発明の第３の実施形態に係るコイルユニットの構成を示す図であり、図９（Ａ）はコイルユニットの平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図１及び図２に示した第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００４４】
第３の実施形態は、第１の実施形態における第２コイルの形状を変更した例である。第１磁性体１１Ｂ及び第１コイル１２Ｂは第１の実施形態と略同様の構成である。すなわち、第１磁性体１１Ｂは方形の板状に形成され、第１コイル１２Ｂは、導体の巻線が楕円環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２磁性体２１Ｂは、楕円環状の板状に形成され、第２コイル２２Ｂは、ガラスエポキシ基板等の基板３０Ｂ上に形成された導体の配線パターンにより、楕円環状に巻回されてなるコイルで構成される。
【００４５】
そして、第１の実施形態と同様に、コイルの厚さ方向（図９（Ｂ）、図９（Ｃ）の上下方向）において、下側から矢印Ｈ方向に、第１磁性体１１Ｂ、第１コイル１２Ｂ、第２磁性体２１Ｂ、基板３０Ｂ、第２コイル２２Ｂの順に積層して配置される。外部機器側、すなわち携帯無線端末の筐体内壁からみた場合、第２コイル２２Ｂ、基板３０Ｂ、第２磁性体２１Ｂ、第１コイル１２Ｂ、第１磁性体１１Ｂの順に積層して配置される。
【００４６】
第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂとは、一部に重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂの少なくとも一部が重なった状態で配置される。このとき、コイルの内周側に両コイルが重ならない領域を有するように、第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂの外側が重なるように配置されている。すなわち、第１コイル１２Ｂの外周寄りで第１コイル１２Ｂと第２コイル２２Ｂの少なくとも一部が重なった構造となっている。
【００４７】
このような構成により、第１の実施形態と同様、２つのコイルを積層して共存させた状態であっても、両コイルの電磁結合を低減でき、電磁結合による性能劣化を抑制できる。また、２つのコイルを積層して配置することで、小型化を図れる。
【００４８】
（変形例）
以下に、第１コイルと第２コイルの配置を変更した変形例をいくつか示す。
【００４９】
図１０は第１コイルと第２コイルの内径及び外形を同じにした例である。図１０（Ａ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｃと、方形環状の第２コイル２２Ｃとを積層して配置したものである。図１０（Ｂ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｄと、方形環状の第２コイル２２Ｄとを積層して配置したものである。
【００５０】
この場合、第１コイルと第２コイルとはほぼ全部が重なった状態であるが、図２に示したように第２コイルに対応する第２磁性体を第１コイルとの間に設けることで、電磁結合による性能劣化を低減できる。
【００５１】
図１１は、図１と同様に第１コイルを楕円環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した例である。図１１（Ａ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｅと方形環状の第２コイル２２Ｅとをコイル長手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１１（Ｂ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｆと方形環状の第２コイル２２Ｆとをコイル短手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５２】
図１１（Ｃ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｇと方形環状の第２コイル２２Ｇとを隣り合う２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１１（Ｄ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｈと方形環状の第２コイル２２Ｈとを１辺の外周側で重ねて配置したものである。図１１（Ｅ）の例は、楕円環状の第１コイル１２Ｉと方形環状の第２コイル２２Ｉとを３辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５３】
この場合も第１の実施形態と同様、第１コイルの外周側の一部で第２コイルと重なった状態であるが、図２に示したように第２コイルに対応する第２磁性体を第１コイルとの間に設けることで、電磁結合による性能劣化を低減できる。
また、第１コイルと第２コイルとが重ならない辺が多いほど、コイル全体の配置面積が大きくなる一方で、コイル間の電磁結合による特性劣化をより軽減できる。
【００５４】
図１２は、図８と同様に第１コイルを方形角丸の環状、第２コイルを方形環状とした場合に、両コイルの配置を変更した例である。図１２（Ａ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｊと方形環状の第２コイル２２Ｊとをコイル長手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１２（Ｂ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｋと方形環状の第２コイル２２Ｋとをコイル短手方向の両端２辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５５】
図１２（Ｃ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｌと方形環状の第２コイル２２Ｌとを隣り合う２辺の外周側で重ねて配置したものである。図１２（Ｄ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｍと方形環状の第２コイル２２Ｍとを１辺の外周側で重ねて配置したものである。図１２（Ｅ）の例は、方形角丸の環状の第１コイル１２Ｎと方形環状の第２コイル２２Ｎとを３辺の外周側で重ねて配置したものである。
【００５６】
この場合も第１、第２の実施形態と同様、第１コイルの外周側の一部で第２コイルと重なった状態であるが、図２および図８に示したように第２コイルに対応する第２磁性体を第１コイルとの間に設けることで、電磁結合による性能劣化を低減できる。
また、第１コイルと第２コイルとが重ならない辺が多いほど、コイル全体の配置面積が大きくなる一方で、コイル間の電磁結合による特性劣化をより軽減できる。
【００５７】
（比較例）
図１３は比較例のコイルユニットの構成を示す図であり、図１３（Ａ）はコイルユニットの平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００５８】
比較例のコイルユニットは、第１磁性体５１１と、非接触電力伝送用コイルとして機能する第１コイル５１２と、非接触無線通信用コイルとして機能する第２コイル５２２とを備える。
【００５９】
第１磁性体５１１は、方形の板状に形成され、板面の一方の面上に第１コイル５１２及び第２コイル５２２が配置される。第１コイル５１２は、導体の巻線が楕円環状に巻回されてなるコイルで構成され、充電用のコイルとして、外部の充電器から供給される電力を受電するものである。第２コイル５２２は、ガラスエポキシ基板等で構成される基板５３０上に形成された導体の配線パターンにより、楕円環状に巻回されてなるコイルで構成される。第２コイル５２２は、非接触無線通信用のコイルとして、リーダ／ライタ装置等の外部機器との間でデータを送受信するものである。第２コイル５２２は、第１コイル５１２の外周側に配置され、第１コイル５１２と第２コイル５２２とが重ならずに略同一平面上に位置している。
【００６０】
基板５３０の一端部には、第１コイル５１２用の第１端子５３１と、第２コイル５２２用の第２端子５３２とが導体の配線パターンにより形成されている。第１端子５３１は配線を介して第１コイル５１２と接続され、第２端子５３２は基板５３０の配線パターンによって第２コイル５２２と接続されている。
【００６１】
この比較例では、第１コイル５１２と第２コイル５２２とを積層せずに配置し、また、第２磁性体を設けない構成となっているので、第１コイル５１２と第２コイル５２２とが近接すると、両コイル間の電磁結合が大きくなり、その影響によって性能劣化が生じ、例えば非接触無線通信の最大通信距離が１１７［ｍｍ］に劣化することを確認しており、本発明の実施形態のコイルユニットによる非接触無線通信の最大通信距離の向上を実現することが困難となる。また、第１コイル５１２の外側に第２コイル５２２を配置して、２つのコイルを重ならないように併設することで、コイルの配置面積が大きくなり、コイルユニットを搭載する無線通信端末が大型になる。
【００６２】
一方、本発明に係る実施形態では、上述した構成によって、複数のコイルを共存させる場合に、構成の小型化と各コイルの性能劣化の抑制とを両立することができる。
【００６３】
なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、非接触無線通信用コイル、非接触電力伝送用コイル等の複数のコイルを共存させる場合に、各コイルの性能劣化を抑制しつつ、省スペースで実現可能にできるという効果を有し、例えば携帯電話端末、スマートフォン等の非接触無線通信が可能な非接触無線通信用コイル、及びこれを搭載した携帯無線端末等として有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１１、１１Ａ、１１Ｂ 第１磁性体
１２、１２Ａ〜１２Ｎ 第１コイル
２１、２１Ａ、２１Ｂ 第２磁性体
２２、２２Ａ〜２２Ｎ 第２コイル
３０、３０Ａ、３０Ｂ 基板
３１ 第１端子
３２ 第２端子
５０ 携帯無線端末
５１ 非接触充電部
５２ 非接触無線通信部
５３ 制御回路
５５ 整流回路
５７ 変復調回路
５８ 電池
６０ 充電器
６１ 交流電源回路
６２ 制御回路
６３ 非接触電力伝送用コイル
７０ リーダ／ライタ装置
７１ 変復調回路
７２ 制御回路
７３ 非接触無線通信用コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１コイルと、
第２コイルと、
第１磁性体と、
第２磁性体とを備え、
コイルの厚さ方向において、
前記第１磁性体、前記第１コイル、前記第２磁性体、前記第２コイルの順に積層して配置され、
前記第１コイルと前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態である非接触無線通信用コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１磁性体の透磁率が前記第２磁性体の透磁率よりも高い非接触無線通信用コイル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１コイルの共振周波数が前記第２コイルの共振周波数よりも低い非接触無線通信用コイル。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１コイルの外周寄りで前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態である非接触無線通信用コイル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第２コイルの少なくとも一部が前記第１コイルの外側に位置している非接触無線通信用コイル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１コイルが非接触電力伝送用であり、前記第２コイルが非接触無線通信用である非接触無線通信用コイル。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルを搭載した携帯無線端末。
【請求項１】
第１コイルと、
第２コイルと、
第１磁性体と、
第２磁性体とを備え、
コイルの厚さ方向において、
前記第１磁性体、前記第１コイル、前記第２磁性体、前記第２コイルの順に積層して配置され、
前記第１コイルと前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態である非接触無線通信用コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１磁性体の透磁率が前記第２磁性体の透磁率よりも高い非接触無線通信用コイル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１コイルの共振周波数が前記第２コイルの共振周波数よりも低い非接触無線通信用コイル。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１コイルの外周寄りで前記第２コイルの少なくとも一部が重なった状態である非接触無線通信用コイル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第２コイルの少なくとも一部が前記第１コイルの外側に位置している非接触無線通信用コイル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルであって、
前記第１コイルが非接触電力伝送用であり、前記第２コイルが非接触無線通信用である非接触無線通信用コイル。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の非接触無線通信用コイルを搭載した携帯無線端末。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−９８８４６（Ｐ２０１３−９８８４６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１２５５（Ｐ２０１１−２４１２５５）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]