JP2009290829A - ループアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線数を増やしつつも、開口面積が大きく、且つ、Ｑ値の高いループアンテナ装置を提供する。
【解決手段】絶縁基板(4)上に螺旋状に巻線された導電体を具備するループアンテナ装置(2)であって、導電体は、所定の高さ及び幅を有した断面視で略長方形状のループが複数連なっており、この高さ部分が対峙した隣接するループ同士では、一方のループ(20)の高さが他方のループ(10,30)の高さよりも小さく、他方のループの幅が一方のループの幅よりも小さくされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＨＦ帯域を使用したＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用の通信機器に用いられるループアンテナ装置に関するものである。

この種のループアンテナ装置は、例えば交通機関の自動改札機に用いられており、２つのアンテナ間の磁界結合を利用して信号の授受が行われる。
詳しくは、ユーザに所持されたＩＣカードがリーダ／ライタのアンテナで発生した磁界内を通過すると、電気的な共振が生じ、このカードのアンテナには誘導電流が流れてＩＣチップが起動し、また、当該アンテナにはリーダ／ライタから送られた磁束とは逆向きの磁界が発生する。これにより、これらカードとリーダ／ライタとの間で非接触によるデータのやり取りが可能になる。

ここで、ループアンテナ装置には、螺旋状に巻線された導電体を絶縁基板上に配置した構造がある。そして、隣接するループ間の寄生容量を小さくすると、アンテナの利得が高くなり、その通信可能距離が長くなる旨が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平１１−２７２８２６号公報 特開２００５−２２３４０２号公報

ところで、上述したループアンテナ装置では、その低背化や通信品質の向上が望まれる。
つまり、仮に、所定の高さ及び幅を有したループが絶縁基板上に配置される場合を想定すると、総てのループが、その幅がその高さよりも大きく形成された場合、換言すれば、横置きのループのみで構成させた場合には、装置の低背化が達成可能になる。

しかしながら、この横置きのループのみで構成させた場合には、通信品質の向上が図れないとの問題がある。なぜならば、巻線数が増加すると、基板上にてループの内側に形成された開口面積が小さくなり、磁束が打ち消され易くなる結果、アンテナの通信可能距離が短くなるからである。
一方、総てのループが、その高さがその幅よりも大きく形成された場合、換言すれば、縦置きのループのみで構成させた場合には、この開口面積が大きくなるものの、やはり通信品質の向上が図れない。隣接するループ間の寄生容量が大きくなり、外部に放出する磁界エネルギが少なくなるためである。

このように、通信品質の向上を図るためには、ループ内側の開口面積とループ間の寄生容量とのバランスに配慮する必要があるが、上記従来の技術では、当該配慮については依然として課題が残されている。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解消し、巻線数を増やしつつも、開口面積が大きく、且つ、Ｑ値の高いループアンテナ装置を提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、絶縁基板上に螺旋状に巻線された導電体を具備するループアンテナ装置であって、導電体は、所定の高さ及び幅を有した断面視で略長方形状のループが複数連なっており、この高さ部分が対峙した隣接するループ同士では、一方のループの高さが他方のループの高さよりも小さく、他方のループの幅が一方のループの幅よりも小さくされる。

第１の発明によれば、ループアンテナ装置は螺旋状で一続きの導電体を具備し、この導電体は、所定の高さ及び幅を有した断面視で略長方形状のループが複数連なって構成され、絶縁基板上に配置されている。
ここで、仮に、総てのループが横置きのループのみで構成された場合には、開口面積が小さくなり、アンテナの通信可能距離が短くなってしまう。これに対し、仮に、総てのループが縦置きのループのみで構成された場合には、隣接するループ間の寄生容量が大きくなり、やはりアンテナの通信可能距離が短くなってしまう。

しかしながら、本発明のループは交互巻きで構成されている。すなわち、高さ部分が対峙した隣接する一方及び他方のループでは、当該一方のループの高さが他方のループの高さよりも小さくされ、この他方のループの幅が一方のループの幅よりも小さくされている。
したがって、巻線数が増加しても、幅の小さな他方のループの構成によって開口面積は、上述した横置きのループのみで構成させた場合に比して大きくなり、このアンテナの通信可能距離が長く、通信品質が向上する。

しかも、高さの小さな一方のループの構成によって寄生容量は、上述した縦置きループのみで構成させた場合に比して小さくなる。よって、Ｑ値が高く、外部に放出する磁界エネルギが多くなることから、アンテナの通信可能距離が長くなる。
この結果、線路長が長く、開口面積が大きく、且つ、共振特性の鋭いアンテナになり、ループアンテナ装置の通信品質が良好になる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、一方のループの断面積と、他方のループの断面積とは略同一の大きさであることを特徴とする。
第２の発明によれば、第１の発明の作用に加えてさらに、各ループの断面積をいずれの場所においても略同一にし、狭窄箇所をなくしているので、ループのインピーダンスを低くでき、電力損失が確実に抑えられる。

第３の発明は、第１や第２の発明の構成において、一方のループは、その幅がその高さよりも大きく形成されるのに対し、他方のループは、その高さがその幅よりも大きく形成されることを特徴とする。
第３の発明によれば、第１や第２の発明の作用に加えてさらに、一方のループ、つまり、横置きのループと、他方のループ、つまり、縦置きのループとが、交互に連なっている。
したがって、当該縦置きのループの構成によって開口面積は、上述した横置きのループのみで構成させた場合に比して確実に大きくなる。しかも、当該横置きのループの構成によって寄生容量は、上述した縦置きループのみで構成させた場合に比して確実に小さくなる。

第４の発明は、第１から第３の発明の構成において、他方のループは、その一部分が基板に埋設され、他方のループの幅をなす表面と、一方のループの幅をなす表面とが略面一で配置されていることを特徴とする。
第４の発明によれば、第１から第３の発明の作用に加えてさらに、一方及び他方のループの幅をなす表面が基板上に表出するが、これら各幅をなす表面が略面一に配置されているので、ループアンテナ装置の低背化が達成可能になる。

第５の発明は、第１から第４の発明の構成において、導電体が奇数個のターンで連なっている場合には、一方のループが他方のループの間に配置されることを特徴とする。
第５の発明によれば、第１から第４の発明の作用に加えてさらに、導電体が奇数巻きの場合には、隣接するループ同士で見ると、両側に他方のループを配置し、その間に一方のループを配置する。これにより、開口面積の拡大、及び寄生容量の削減の双方を確実に満たすことができる。

本発明によれば、交互巻きのループを用いることにより、線路長が長く、開口面積が大きく、且つ、Ｑ値の高いアンテナになり、通信品質が良好なループアンテナ装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施例のループアンテナ装置の平面図であり、当該装置２は、例えばＲＦＩＤ用のリーダ／ライタに使用される。
また、このアンテナ装置２は、略直方体形状の絶縁基板４の上に螺旋状に巻線された導電体を具備している。

詳しくは、この基板４は、同図に示されるように、略長方形状の上面６を有し、この上面６の４辺には略長方形状の側面がそれぞれ連なっている。さらに、これら各側面は上面６と同じ面積を有した下面にも連なり、この下面は上面６に対向して配置される。
そして、この上面６には、例えば３回巻き（３ターン）のループを有した導電体が配置されている。

本実施例の装置２は３つのループ１０，２０，３０からなり、これら各ループ１０，２０，３０は、例えば導電性ペーストが基板４にスクリーン印刷されており、螺旋状で一続きに連結している。
より具体的には、まず、ループ１０は、これらループ２０，３０よりも外側に配置され、上面６の周縁に最も近い位置に形成されている。また、このループ１０の一端には接続ランド１６が形成され、このランド１６は図示しない整合回路に接続されている。

一方、このループ１０の他端はループ２０に接続される。詳しくは、ループ１０は、上面６の４辺に沿って図１でみて時計回りに延び、接続ランド１６の近傍位置にてループ２０の側面２４に接続している。
ここで、本実施例のループ１０は、図２に示される如く、断面視で略長方形状に構成された縦置きループ（他方のループ）であり、その側面１４の高さがその表面１２の幅よりも大きく形成される。

具体的には、当該ループ１０は、その側面１４の一部分が基板４に埋設し、側面１４の残りの部分が上面６から上方に向けて突出しており、幅狭の表面１２が上面６に対して略平行に配置される。
次に、ループ２０は、ループ１０とループ３０との間に配置されている。このループ２０は、ループ１０に対して所定の間隔で配置され、このループ１０に沿って図１でみて時計回りに延びており、ループ２０の側面２４とループ１０の側面１４とが対峙している。

また、このループ２０の一端近傍の側面２４がループ１０の他端に接続され、これらループ２０の表面２２とループ１０の表面１２とは略面一で配置される。一方、ループ２０の他端は、ループ１０とループ２０との接続箇所の近傍位置にてループ３０に接続される。ループ２０の表面２２とループ３０の表面３２ともまた略面一で配置される（図２）。

ここで、本実施例のループ２０は、断面視で略長方形状に構成された横置きループ（一方のループ）であり、その表面２２の幅がその側面２４の高さよりも大きく形成されている。当該ループ２０の断面積は、ループ１０の断面積と略同一の大きさで構成される。
また、当該ループ２０は、その表面２２に対向した裏面が上面６に載置され、幅広の表面２２が上面６に対して略平行に配置されている。

続いて、ループ３０は、ループ１０とループ２０との間隔に等しい間隔で、ループ２０よりも内側に配置されており、このループ２０に沿って図１でみて時計回りに延びており、ループ３０の側面３４とループ２０の側面２４とが対峙している。
このループ３０の一端近傍の側面３４はループ２０の他端に接続され（図３）、このループ３０の他端には接続ランド３６が形成される（図１）。このランド３６もまた上記整合回路に接続されている。

再び図２に戻り、本実施例のループ３０は、上記ループ１０と同様に、断面視で略長方形状に構成された縦置きループ（他方のループ）である。つまり、その側面３４の高さはその表面３２の幅よりも大きく形成されており、さらに、当該ループ３０の断面積は、ループ１０，２０の断面積と略同一の大きさで構成されている。

そして、当該ループ３０もまた、その側面３４の一部分が基板４に埋設しており、幅狭の表面３２が上面６に対して略平行に配置される。
なお、この基板４の上面６の適宜位置には、上述した整合回路の他、図示しないチップ部品や発振器（ＡＣ電源）等の電子部品が実装され、これら電子部品もループ１０，２０，３０に接続されている。

以上のように、本実施例によれば、ループアンテナ装置２は螺旋状で一続きの導電体を具備し、この導電体は、所定の高さ及び幅を有した断面視で略長方形状のループ１０，２０，３０が３ターン連なって構成され、基板４上に配置されている。

そして、これらループ１０，２０，３０は交互巻きで構成されており、縦置きのループ１０と横置きのループ２０とが隣接し、この横置きのループ２０と縦置きのループ３０とが隣接している。
これにより、巻線数を増やしつつも、開口面積が大きく、且つ、Ｑ値も高くなる。

この点について詳述すると、図４に示されたループアンテナ装置１００Ａの如く、総てのループ２００が横置きのループのみで構成された場合には、本実施例の巻線数と同じであったとしても、幅広の表面２２０が基板４の上面６の多くを占有するので、ループ２００の内側に形成された開口面積が小さくなり、アンテナの通信可能距離が短くなってしまう。

これに対し、図５に示されたループアンテナ装置１００Ｂの如く、総てのループ３００が縦置きのループのみで構成された場合には、本実施例の巻線数と同じであるとすれば、幅狭の表面３２０が基板４の上面６を占めることから、開口面積は大きくなるものの、図４の側面２４０の大きさと比較しても明らかなように、その側面３４０が上面６から上方に向けて大きく突出する。

つまり、これら対峙する側面３４０，３４０で形成された空間が非常に大きくなる結果、隣接するループ間の寄生容量が大きくなり、Ｑ値が低くなるので、やはりアンテナの通信可能距離が短くなってしまうのである。
しかしながら、本実施例では交互巻きのループが採用され、縦置きのループ１０に続いて横置きのループ２０が巻かれ、この横置きのループ２０に続いて縦置きのループ３０が巻かれている。

したがって、巻線数が増加して線路長が長くなっても、当該縦置きのループ１０，３０の構成によって開口面積は、上述した図４の装置１００Ａに比して大きくなり、アンテナの利得が高くなる。よって、このアンテナの通信可能距離が長く、アンテナ効率が高くなる。

しかも、この横置きのループ２０の構成によれば、開口面積は上述した図５の装置１００Ｂに比して小さくなるものの、寄生容量が当該装置１００Ｂに比して小さくなり、上述した図４の装置１００Ａと同じになる。これら対峙する側面１４，２４（或いは側面２４，３４）で形成された空間は、ループ１０，３０の間に配置したループ２０の側面２４の高さに依存するからである。

したがって、当該横置きのループ２０の構成によってＱ値が高く、損失が小さくなって共振特性が鋭くなり、外部に放出する磁界エネルギが多くなるので、アンテナの通信可能距離が長くなる。
この結果、線路長が長く、開口面積が大きく、且つ、共振特性の鋭いアンテナになり、ループアンテナ装置２の通信品質が良好になる。

なお、本実施例の構成は、巻線数を図４の装置１００Ａや図５の装置１００Ｂと同じにした場合について示されているが、開口面積を装置１００Ａと同じ大きさで考えれば、この装置１００Ａよりも巻線数を増やせるし、装置１００ＢよりもＱ値が依然として高くなるとも云える。

また、各ループ１０，２０，３０の断面積をいずれの場所においても略同一にし、狭窄箇所をなくしているので、ループ１０，２０，３０のインピーダンスを低くでき、電力損失が確実に抑えられる。
さらに、横置きのループ２０の表面２２、及び縦置きのループ１０，３０の表面１２，３２が基板４の上面６から最も突出することになるが、これら各表面１２，２２，３２が略面一に配置されているので、このループ２０の側面２４の高さに抑えられ、ループアンテナ装置２の低背化が達成可能になる。

さらにまた、上記３回巻きの場合には、隣接するループ同士で見ると、両側に縦置きのループ１０，３０を配置し、その間に横置きのループ２０を配置している。
これにより、両側に横置きのループを配置し、その間に縦置きのループを配置した場合に比して開口面積を拡大できるし、また、両側に横置きや縦置きのループを配置し、その間に縦置きのループを配置した場合に比して寄生容量を削減でき、これら開口面積の拡大及び寄生容量の削減の双方を確実に満たすことができる。

本発明は、上記実施例に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。例えば上記実施例の各構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせることができる。
また、本実施例では、横置きのループ２０と縦置きのループ１０，３０との組み合わせで構成されているが、ループが交互巻きで連なっている限り、互いに隣接した一方のループの高さよりも他方のループの高さが大きく、当該一方のループの幅よりも他方のループの幅が小さくされていても良い。

換言すれば、本発明のループには、これら一方のループ及び他方のループのいずれもが、その高さよりも幅がそれぞれ大きく形成されている場合も該当する。いずれかのループのみで構成させた場合に比して、開口面積を大きく、寄生容量を小さくできるからである。

また、上記実施例では、３回巻きの構成が示されているが必ずしもこの例に限定されるものではなく、さらに、本発明のループアンテナ装置はリーダ／ライタのみならず、ＩＣカードにも適用可能である。
そして、これらいずれの場合にも上記と同様に、巻線数を増やしつつも、開口面積が大きく、且つ、Ｑ値の高いループアンテナ装置になるとの効果を奏する。

本実施例のループアンテナ装置を概略的に示した平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。 図１の交互巻きの説明図である。 （ａ）は従来のループアンテナの概略構成図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ線における矢視断面図である。 （ａ）は従来の他のループアンテナの概略構成図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ線における矢視断面図である。

符号の説明

２ ループアンテナ装置
４ 絶縁基板
６ 上面
１０ 縦置きループ（他方のループ）
１２ 表面
１４ 側面
２０ 横置きループ（一方のループ）
２２ 表面
２４ 側面
３０ 縦置きループ（他方のループ）
３２ 表面
３４ 側面

Claims (5)

1. 絶縁基板上に螺旋状に巻線された導電体を具備するループアンテナ装置であって、
   該導電体は、所定の高さ及び幅を有した断面視で略長方形状のループが複数連なっており、
   該高さ部分が対峙した隣接するループ同士では、一方のループの高さが他方のループの高さよりも小さく、該他方のループの幅が前記一方のループの幅よりも小さいことを特徴とするループアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のループアンテナ装置であって、
   前記一方のループの断面積と、前記他方のループの断面積とは略同一の大きさであることを特徴とするループアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のループアンテナ装置であって、
   前記一方のループは、その幅がその高さよりも大きく形成されるのに対し、前記他方のループは、その高さがその幅よりも大きく形成されることを特徴とするループアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のループアンテナ装置であって、
   前記他方のループは、その一部分が前記基板に埋設され、該他方のループの幅をなす表面と、前記一方のループの幅をなす表面とが略面一で配置されていることを特徴とするループアンテナ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のループアンテナ装置であって、
   前記導電体が奇数個のターンで連なっている場合には、前記一方のループが前記他方のループの間に配置されることを特徴とするループアンテナ装置。
   

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