CN103843197B - 天线装置以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

天线装置(101)具备天线线圈(31)、磁性体薄片(39)以及金属部件(2)。天线线圈(31)形成于挠性基材(33)。该天线线圈(31)被卷绕成以卷绕中心部作为线圈开口部的环状或者螺旋状。磁性体薄片(39)配置在挠性基材(33)的背面。在金属部件(2)形成有矩形的开口(CA)，天线线圈(31)从金属部件(2)的开口(CA)露出。由于天线线圈的第1边(31S1)被金属部件(2)隐藏，第2边(31S2)和线圈开口部的一部分从开口(CA)露出，因此相对于该第2边(31S2)而发送磁通交链。

Description

天线装置以及电子设备
技术领域
本发明涉及在经由电磁场信号而与对方侧设备进行通信的RFID系统、近距离无线通信系统中使用的天线装置以及具备该天线装置的电子设备。
背景技术
近年来，在利用扩大的RFID系统、近距离无线通信系统等进行非接触通信的系统中，为了在便携电话等的便携电子设备彼此之间、或者便携电子设备与读写器之间进行通信，在各个设备搭载了通信用的天线。
在这样的非接触通信用天线被安装在金属部件的背面的情况下，由于磁场被金属部件屏蔽，因此与相对于金属部件而处于天线的相反侧的读写器等无法进行通信。
另一方面，专利文献1中公开了在金属部件的背面配置有天线线圈、且在金属部件设置有导体开口的天线装置。
图19(A)是具备专利文献1的天线装置的电子设备的后视图。电子设备的背面是面向作为通信对方侧的读写器侧天线的面。图19(B)是所述背面侧的下部框体的内侧的俯视图。
如图19(A)所示，在下部框体1的外面形成有导体层22。导体层22是例如铝等的金属蒸镀膜。在该导体层22形成有开口CA，还形成有连接该开口CA与外缘之间的缝隙SL。如图19(B)所示，在下部框体1的内侧配置有天线线圈模块3，使其与所述开口CA部分重叠。
此外，作为另一例，在专利文献2中公开了将天线线圈配置在通信终端的端部而从通信终端的表面与背面的任意面都能够进行通信的结构。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4687832号公报
专利文献2：日本专利第4626413号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所示的天线装置中，由于需要在金属部件设置缝隙，因此无法适用于具备简单形状的金属部件的情况。此外，在利用作为构造件的金属部件的情况下，在与开口一起形成缝隙时，具备该天线装置的电子设备的构造上的强度受损。此外，在利用作为散热件的金属部件的情况下，在与开口形成缝隙时，其散热性有可能下降。
此外，在专利文献2所示的天线装置的构造中，存在将线圈配置在电子设备内之后的设计上的自由度较低的这一问题。
为此，本发明的目的在于提供一种在金属部件的背面配置天线线圈的构造中能够减小金属部件所需的开口、且与隔着金属部件而处于相反侧的通信对方能进行稳定的通信的天线装置以及具备该天线装置的电子设备。
用于解决课题的手段
本发明的天线装置具备天线线圈以及金属部件，其特征在于，
所述天线线圈被卷绕成以卷绕中心部作为线圈开口部的环状或者螺旋状，且具有第1部分以及与第1部分对置的第2部分，
所述金属部件被配置成覆盖所述天线线圈的一部分，
所述金属部件具备开口，
相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察，所述天线线圈的第1部分不从所述金属部件的开口露出，而所述天线线圈的第2部分以及所述线圈开口部的至少一部分从所述金属部件的开口露出。
本发明的电子设备具备所述天线装置，将所述金属部件配备成框体的一部分。
发明效果
根据本发明，由于从金属部件的开口进入的磁通与天线线圈有效地交链，与通信对方的天线装置较强地耦合，因此在金属部件所形成的开口较小即可，且能与通信对方进行稳定的通信。
附图说明
图1(A)是第1实施方式所涉及的天线装置101的俯视图，图1(B)是图1(A)的X-X部分的剖视图。
图2(A)、图2(B)是作为比较对象的两个天线装置的模型。图2(C)是用于通过仿真求取第1实施方式的天线装置101的特性的模型。
图3是表示图2(A)、图2(B)、图2(C)所示的各天线装置的耦合系数的图。
图4(A)是第2实施方式所涉及的天线装置102的俯视图，图4(B)是图4(A)的X-X部分的剖视图。
图5是通过仿真求出第2实施方式的天线装置的耦合系数的图。
图6(A)是第3实施方式的天线装置103的俯视图，图6(B)是图6(A)的X-X部分的剖视图。
图7是通过仿真求出第3实施方式的天线装置的耦合系数的图。
图8是表示在第3实施方式所涉及的天线装置中改变了从天线线圈31的第2边31S2至开口CA的内缘为止的距离L时的耦合系数的变化的图。
图9(A)是第4实施方式的天线装置104的俯视图，图9(B)是图9(A)的X-X部分的剖视图。
图10是通过仿真求出第4实施方式的天线装置的耦合系数的图。
图11(A)是第5实施方式的天线装置105的俯视图，图11(B)是图11(A)的X-X部分的剖视图。
图12是第6实施方式的天线装置106的俯视图。
图13是第7实施方式的天线装置107A的俯视图。
图14是第7实施方式的另一天线装置107B的俯视图。
图15是在第8实施方式的电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。
图16是在第8实施方式的另一电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。
图17是在第9实施方式的电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。
图18是在第10实施方式的电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。
图19(A)是具备专利文献1的天线装置的电子设备的后视图。图19(B)是该电子设备的背面侧的下部框体的内侧的俯视图。
具体实施方式
《第1实施方式》
参照图1～图3来说明第1实施方式所涉及的天线装置101。
图1(A)是第1实施方式所涉及的天线装置101的俯视图，图1(B)是图1(A)的X-X部分的剖视图。其中，在图1(A)、图1(B)中仅示出了主要部分的构成。
该天线装置101具备天线线圈31、磁性体薄片39以及金属部件2。天线线圈31形成在挠性基材33。该天线线圈31被卷绕成以卷绕中心部作为线圈开口部的环状或者螺旋状，两端作为连接部32被取出。再者，尽管省略了详细的图示，但天线线圈31的导体相重叠的部分等经由在挠性基材33设置的通孔而在挠性基材33的两面的整个面上形成。
在挠性基材33的下表面配置有磁性体薄片39。
如图1(A)、图1(B)所示，金属部件2被配置成覆盖天线线圈31的一部分，此外在金属部件2形成有矩形的开口CA，天线线圈31的一部分从金属部件2的开口CA露出。
所述挠性基材33例如是聚酰亚胺薄膜，天线线圈31例如是对铜箔进行图案化而形成的。磁性体薄片39例如是成形为薄片状的铁氧体。此外，所述金属部件2例如是铝板，是电子设备的框体的一部分或散热用的框架等。
天线线圈31具有作为第1部分的第1边31S1、以及与其对置的作为第2部分的第2边31S2。该例中，在天线线圈31的第1边31S1被金属部件2隐藏、第2边31S2和线圈开口部的一部分从开口CA露出的状态下，天线线圈31靠近配置于金属部件2的开口CA。从天线线圈31的第2边31S2的外缘到开口CA的内缘相距了距离L。
在图1(B)中，虚线的箭头表示从作为通信对方的读写器的天线出来的磁通。由于天线线圈31的第2边31S2从金属部件2的开口CA露出，因此相对于该第2边31S2而磁通发生交链。另一方面，由于天线线圈31的第1边31S1被金属部件2隐藏，因此相对于该第1边31S1而磁通没有交链。如果磁通的双方对天线线圈31交链，则由磁通在天线线圈31所产生的电流的朝向与由磁通在天线线圈31所产生的电流的朝向相反，由于彼此的电流相抵消，因此天线线圈31没有作为天线发挥功能。在本实施方式中，由于磁通与天线线圈31实质上没有交链，因此电流不会相抵消，天线线圈31作为与通信对方即读写器的天线进行磁场耦合的天线发挥功能。
对于所述天线线圈31的连接部32，例如从电子设备内的电路基板突出设置的连接用管脚进行抵接而被电连接。
在电路基板侧配备与所述连接部32并联连接的电容器。并且，通过由天线线圈31以及磁性体薄片39所确定的电感和所述电容器的电容来决定谐振频率。例如在利用中心频率13.56MHz的HF频带的情况下，将所述谐振频率确定为13.56MHz。不过，将天线线圈31以及磁性体薄片39不靠近金属部件2的状态下的谐振频率预先设定得比利用频带的中心频率低。在使天线线圈31靠近于金属部件2时，由于天线线圈31的电感值变小，因此天线装置101的谐振频率上升。因而，只要设计成在将天线装置101组装到电子设备内的状态下该天线装置101的谐振频率与利用频带的中心频率基本一致即可。
再者，也可以将天线线圈31形成在挠性基材33的两面，将在天线线圈31的两面的导体间产生的寄生电容用作所述电容器。在该情况下，无需另行设置电容器，能够减少部件数量。
图2(C)是用于通过仿真求取第1实施方式的天线装置101的特性的模型。不过，各部的尺寸比例与图1所示的例子不同。图2(A)、图2(B)是作为比较对象的两个天线装置的模型。图2(B)是在形成有螺旋状的天线线圈的挠性基材的背面配置了磁性体薄片的情况。图2(A)是具备图2(B)所示的类型的天线线圈以及磁性体薄片、且在金属部件2没有形成开口CA的情况。
所述模型的各部的尺寸如下所示。
开口CA的尺寸：25.9mm×20.1mm
天线线圈的形成区域的宽度：2.9mm
天线线圈的匝数：6匝
天线线圈的导体图案的间距：0.5mm(线宽0.4mm、线间隔0.1mm)
天线线圈的外形尺寸：25.5mm×19.7mm
磁性体薄片的外形尺寸：25.5mm×19.7mm
天线线圈与金属部件的厚度方向的间隔：0.1mm
图3是表示图2(A)、图2(B)、图2(C)所示的各天线装置的耦合系数的图。图3中的“A-”～“E”是在图2(C)所示的天线装置中改变从天线线圈31的第2边31S2的外缘至开口CA的内缘为止的距离L时的耦合系数，“P1”是图2(B)所示的天线装置的耦合系数，“P0”是图2(A)所示的天线装置的耦合系数。
在图3中，A-～E与所述距离L之间的关系如下所示。
A-：L＝1mm
A：L＝2mm
B：L＝4mm
C：L＝6mm
D：L＝8mm
E：L＝10mm
通信对方的天线装置由直径70mm、线圈的匝数为4匝、线圈的线宽1.5mm、线间隔0.3mm的天线线圈构成，从在金属部件2的垂直方向上相距25mm、且金属部件2与通信对方的天线装置的天线线圈被设为处于平行的位置求出耦合系数的最大值。
如果在金属部件2没有形成开口CA，则如图3中的“P0”所示，完全没有耦合。在图2(B)所示的比较对象的天线装置中，由于螺旋状的天线线圈的全体配置在磁性体薄片的表面，因此即便在金属部件2形成了开口CA，由于在天线线圈的各部(例如天线线圈第1部分和与其对置的第2部分)也发生磁通交链，因此在天线线圈的各部所产生的电流相抵消。因而，如图3中“P1”所示，无法得到高的耦合系数。与此相对，根据本发明的第1实施方式所涉及的天线装置，如图3中“A-”～“E”所示，可得到比图2(B)所示的比较对象的天线装置高的耦合系数。并且可知，直到天线线圈31的第2边31S2处于通过开口CA的大致中心的位置(图3中“D”所示的天线线圈31的位置)为止，越是增大距离L，则耦合系数越增大。
《第2实施方式》
参照图4、图5来说明第2实施方式所涉及的天线装置102。
图4(A)是第2实施方式所涉及的天线装置102的俯视图，图4(B)是图4(A)的X-X部分的剖视图。其中，图4(A)、图4(B)中仅示出主要部分的构成。
该天线装置102具备天线线圈31、磁性体薄片39以及金属部件2。在挠性基材33形成有天线线圈31。该天线线圈31被卷绕成以卷绕中心部作为线圈开口部的环状或者螺旋状。
天线线圈31、磁性体薄片39以及金属部件2的构成与第1实施方式中示出的构成相同。不同之处在于磁性体薄片39的形状。在第2实施方式中，相对于金属部件2的开口CA而在垂直方向上观察(在俯视的情况下)，按照在开口CA的内侧的大致整个区域展开的方式配置磁性体薄片39。
图5是通过仿真求出第2实施方式的天线装置的耦合系数的图。图5中的“B1”是第1实施方式之中图3中“B”所示的天线装置101的特性，“B2”是第2实施方式中示出的天线装置102的特性。求取耦合系数的条件与第1实施方式的情况相同。
如根据图5可明确的那样，通过按照在开口CA的内侧的大致整个区域扩展的方式来配置磁性体薄片39，从而对天线线圈的线圈开口部的内外进行交链的磁通增大，耦合系数进一步增大。
《第3实施方式》
图6(A)是第3实施方式的天线装置103的俯视图，图6(B)是图6(A)的X-X部分的剖视图。其中，图6(A)、图6(B)中仅示出主要部分的构成。
该天线装置13与第2实施方式中图4所示的天线装置102不同，在俯视的情况下将磁性体薄片39仅设置在金属部件2的开口CA内。其他与第2实施方式的天线装置102相同。
图7是通过仿真求出第3实施方式的天线装置的耦合系数的图。图7中的“B2”是第2实施方式中示出的天线装置102的特性，“B3”是第3实施方式中示出的天线装置103的特性。求取耦合系数的条件与第1实施方式的情况相同。
这样，对于从开口CA露出的部分，无论磁性体薄片39是延伸存在还是不延伸存在，耦合系数均大致相同。因此，如果在俯视的情况下将磁性体薄片39仅设置在金属部件2的开口CA内，则能够将磁性体薄片的尺寸限制在最小限度，能够实现成本降低。
图8是表示在第3实施方式所涉及的天线装置中改变从天线线圈31的第2边31S2至开口CA的内缘为止的距离L时的耦合系数的变化的图。
图8中的“A-”～“E”是在图6所示的天线装置中改变从天线线圈31的第2边31S2的外缘至开口CA的内缘为止的距离L时的耦合系数。此外，“P”是作为比较例的图2(B)所示的天线装置的耦合系数。
在图8中，A-～E与所述距离L之间的关系如下所示。
A-：L＝1mm
A：L＝2mm
B：L＝4mm
C：L＝6mm
D：L＝8mm
E：L＝10mm
求取耦合系数的条件与第1实施方式的情况相同。
如根据图8可明确的那样，可知直到天线线圈31的第2边31S2处于通过开口CA的大致中心的位置(图8中“D”示出的天线线圈31的位置)为止，越是增大距离L，则耦合系数越增大。
《第4实施方式》
图9(A)是第4实施方式的天线装置104的俯视图，图9(B)是图9(A)的X-X部分的剖视图。其中，图9(A)、图9(B)中仅示出主要部分的构成。
该天线装置104与第3实施方式中图6示出的天线装置103不同，在俯视的情况下，仅天线线圈31的第2边31S2从开口CA露出。即，将第1边31S1和第2边31S2连接的第3边31S3及第4边31S4和第1边31S1处在开口CA的外侧，被金属部件2隐藏。具体而言，使图8中“D”所示的天线装置的第1边31S1以及第2边31S2的尺寸变长，从而第3边31S3以及第4边31S4被金属部件2隐藏。其他与第2实施方式的天线装置102相同。
图10是通过仿真求出第4实施方式的天线装置的耦合系数的图。图10中的“D1”是第3实施方式中示出的天线装置103的特性(图8中“D”示出的天线装置的特性)，“D2”是第4实施方式中示出的天线装置104的特性。求取耦合系数的条件与第1实施方式的情况相同。
这样一来可知，在开口CA内仅使磁通有效地交链的第2边31S2露出，从而耦合系数进一步提高。
《第5实施方式》
图11(A)是第5实施方式的天线装置105的俯视图，图11(B)是图11(A)的X-X部分的剖视图。与以上的各实施方式中示出的天线装置不同，天线装置105所具备的金属部件2的开口CA不是矩形。在该例中开口CA是椭圆形。开口CA只要是磁通透过的窗口即可，因此这样也可以不是矩形。
《第6实施方式》
图12是第6实施方式的天线装置106的俯视图。与以上的各实施方式中示出的天线装置不同，天线装置106所具备的磁性体薄片39具有开口部MA。该构造在将照相机模块内置于电子设备的框体内、从金属部件2的开口CA使照相机模块的镜头露出的情况下是有效的。即，能够将磁性体薄片39的开口部MA用作照相机模块的摄像用的窗口，或者用作插入照相机模块的镜头的筒。
《第7实施方式》
图13是第7实施方式的天线装置107A的俯视图。与以上的各实施方式中示出的天线装置不同，天线装置107A所具备的天线线圈31被配置成：金属部件2的开口CA具有正交的2个轴(X轴和Y轴)，使天线线圈31的卷绕中心从开口CA的中心向2个轴(X轴和Y轴)的任意方向均偏移，天线线圈31的彼此相邻的2边和线圈开口部的一部分从开口CA露出，剩余的2边不露出。
因此，在天线线圈31之中，不仅是第2边31S2，作为与磁性体薄片39的插通方向(轴方向)平行的导体部分的一方的第3边31S3也作为磁通有效交链部发挥作用。其结果，天线的定向方向从X轴倾斜，在图13中箭头示出的方向进行定向。这样，通过天线线圈31的偏移方向也能够控制定向性。
图14是第7实施方式的另一天线装置107B的俯视图。与以上的各实施方式中示出的天线装置不同，天线装置107B所具备的天线线圈31的第2边31S2呈弯曲。
由于天线线圈31只要具备磁通有效交链部即可，这样天线线圈31的一部分或者全部也可以由弯曲部构成。
《第8实施方式》
在第8实施方式中，示出了电子设备所配备的天线装置的安装构造以及电子设备的构成。
图15、图16是在电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。在图15的例子中，将磁性体薄片39的外周部经由粘结材料(双面胶带等)41粘贴在金属部件2的开口CA的外周部。在图16的例子中，在树脂薄片材42上利用粘结材料(双面胶带等)41粘贴由形成有天线线圈的挠性基材33以及磁性体薄片39构成的天线模块，将该树脂薄片材42粘贴在金属部件2的开口CA的周围。这样一来，可以使得包含金属部件2的各构成部件一体化。
《第9实施方式》
在第9实施方式中，示出没有与金属部件2一体化的天线装置的安装构造以及电子设备的构成。
图17是在电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。在该例中，将由形成有天线线圈的挠性基材33以及磁性体薄片39所构成的天线模块搭载于印刷布线板43。金属部件2是电子设备的框体的一部分，在该框体内收纳印刷布线板43，从而所述天线模块与开口CA对置。
这样，金属部件2和天线模块也可以单独设置。
《第10实施方式》
在第10实施方式中，示出针对天线线圈31的特殊的供电构造以及电子设备的构成。
图18是在电子设备中设置的天线装置部分的剖视图。在图18中，在印刷布线板43搭载了由磁芯13以及激励线圈12形成的供电模块。激励线圈12在将图18的左右方向作为卷绕轴的方向上被卷绕于磁芯13。该供电模块的磁芯13与天线线圈31的第1边31S1靠近，从而彼此进行电磁场耦合(主要是磁场耦合)。
天线线圈31是与此前示出的天线装置的天线线圈基本相同的构成，但没有连接部32，由天线线圈31构成LC并联谐振电路。该LC并联谐振电路的电容成分是在天线线圈的导体图案间产生的电容。此外，根据需要，也可以与天线线圈31一起设置电容形成用的电极。
《其他实施方式》
本发明所涉及的金属部件并不限于金属板，例如将框体的外面的一部分在设计上形成为金属制这样的情况下，通过蒸镀等在框体的外面形成金属膜，但也可以将该金属膜兼用作所述金属部件。
再者，天线线圈31的卷绕数(匝数)只要根据外形尺寸和所需的电感来确定即可。如果是一匝，则简单地成为环状的线圈导体。
再者，磁性体薄片39作为使磁通与天线线圈31高效地交链而有效的部件发挥功能，但也不是必需配备。
符号说明
CA...开口
MA...磁性体薄片的开口部
2…金属部件
12…激励线圈
13…磁芯
31…天线线圈
31S1…天线线圈的第1边
31S2…天线线圈的第2边
31S3…天线线圈的第3边
31S4…天线线圈的第4边
32…连接部
33…挠性基材
34…缝隙状开口部
39…磁性体薄片
42…树脂薄片材
43…印刷布线板
101～106…天线装置
107A、107B…天线装置

Claims (10)

1.一种天线装置，具备天线线圈、磁性体薄片以及金属部件，其特征在于，
所述天线线圈被卷绕成以卷绕中心部作为线圈开口部的环状或者螺旋状，且具有第1部分以及与第1部分对置的第2部分，
所述磁性体薄片相对于所述天线线圈而设置在与设有金属部件的一侧相反的一侧，
所述金属部件被配置成覆盖所述天线线圈的一部分，
所述金属部件具备不与外周相连的开口，
相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察，所述天线线圈的第1部分不从所述金属部件的开口露出，所述天线线圈的第2部分以及所述线圈开口部的至少一部分从所述金属部件的开口露出。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，
沿着所述天线线圈、且相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察，所述磁性体薄片配置为在所述金属部件的开口的内侧的大致整个区域展开。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其中，
相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察，所述磁性体薄片配置在从所述金属部件的开口的内侧不向外方露出的范围内。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的天线装置，其中，
相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察，所述天线线圈的第2部分被配置成通过所述金属部件的开口的中心或者中心附近。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的天线装置，其中，
相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察，仅所述天线线圈的第2部分从所述金属部件的开口露出。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的天线装置，其中，
相对于所述金属部件的开口而在垂直方向上观察到的所述线圈开口部内，在所述磁性体薄片形成有孔。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的天线装置，其中，
所述天线线圈具备弯曲部。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的天线装置，其中，
所述金属部件的开口具有正交的两个轴，使所述天线线圈的卷绕中心从所述金属部件的开口的中心向所述两个轴的任意方向均偏移。
9.一种天线装置，其特征在于，具备权利要求1～8中任一项所述的天线线圈、所述磁性体薄片以及金属部件，
所述天线线圈构成谐振电路的至少一部分，
设置有与所述天线线圈进行电磁场耦合的激励线圈。
10.一种电子设备，具备权利要求1～9中任一项所述的天线装置和框体，所述金属部件是所述框体的一部分。
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