JP2010263586A - アンテナ装置および通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ装置および通信装置を提供すること。
【解決手段】磁界結合により非接触通信を行う第１通信部１０と、前記第１通信部が発生させる磁界中に配置され、電界結合により非接触通信を行う第２通信部２０と、を備え、前記第２通信部は、少なくとも一部が強磁性体で構成され、前記磁界が前記第２通信部と交差する位置における前記磁界の振動方向に対して略平行な方向に振動する電界を発生させる、アンテナ装置。
【選択図】図１０

Description

本発明は、アンテナ装置および通信装置に関する。

近日、電磁誘導の原理に基づいてデータの書き込み、および読み出しを行う非接触通信が普及している。一例として、この非接触通信は、地下鉄、バス、およびフェリーなどの交通機関の共通乗車券、および電子マネーシステムなどに導入されている。

また、容量性の電界結合を利用して非接触通信を行う近接無線方式も提案されている。この近接無線方式は、搬送波周波数が４．４８ＧＨｚであり、実効レートが３７５Ｍｂｐｓである。このため、近接無線方式は、家電製品、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、デジタルカメラ、および携帯電話などの幅広い装置間での大容量データ転送を実現することができる。

なお、特許文献１には、複数のアンテナを備え、複数のアンテナを同時に利用するか、または一部のアンテナのみを利用するかを適宜切り替える無線通信装置が開示されている。

特開２００８−２７７９２２号公報

ここで、磁界結合により非接触通信を行うためのアンテナコイルと、電界結合により非接触通信を行うための電界カプラを１の通信装置に実装する場合、電界カプラをアンテナコイルの中心に配置することにより通信装置内のスペースを有効活用することができる。

しかし、電界カプラをアンテナコイルの中心に配置すると、電界カプラおよびアンテナコイル間での結合により干渉が生じ、通信特性が劣化してしまうことが懸念された。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、複数のアンテナ間の干渉による通信特性の劣化を抑制することが可能な、新規かつ改良されたアンテナ装置および通信装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、磁界結合により非接触通信を行う第１通信部と、前記第１通信部が発生させる磁界中に配置され、電界結合により非接触通信を行う第２通信部と、を備え、前記第２通信部は、少なくとも一部が強磁性体で構成され、前記磁界が前記第２通信部と交差する位置における前記磁界の振動方向に対して略平行な方向に振動する電界を発生させる、アンテナ装置が提供される。

前記強磁性体は、前記第２通信部の表面の少なくとも一部に形成されてもよい。

前記第２通信部は、前記電界結合を行うための平板状の電界結合用電極を有し、前記強磁性体は、前記電界結合用電極の電界結合面に形成されてもよい。

また、前記第２通信部の材質が前記強磁性体であってもよい。

前記第１通信部は、前記磁界結合を行うためのアンテナコイルを有し、前記第２通信部は、前記電界結合を行うための平板状の電界結合用電極を有し、前記電界結合用電極は、前記アンテナコイルと略同一平面上であって、かつ、前記アンテナコイルの中心に配置されてもよい。

また、前記強磁性体はフェライトであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、磁界結合により非接触通信を行う第１通信部と、前記第１通信部が発生させる磁界中に配置され、電界結合により非接触通信を行う第２通信部と、を有するアンテナ装置を備え、前記第２通信部は、少なくとも一部が強磁性体で構成され、前記磁界が前記第２通信部と交差する位置における前記磁界の振動方向に対して略平行な方向に振動する電界を発生させる、通信装置が提供される。

以上説明したように本発明にかかるアンテナ装置および通信装置によれば、複数のアンテナ間の干渉による通信特性の劣化を抑制することができる。

本発明の実施形態の１つに係る通信装置の構成を示す説明図である。 通信装置の断面図である。 アンテナコイルによる非接触通信の通信正答率と通信距離の関係を示した説明図である。 電磁波シミュレーションの条件を示した説明図である。 図４に示した条件において、銅箔を利用した場合の電磁波シミュレーション結果を示した説明図である。 図４に示した条件において、銅箔をフェライト製の板に置き換えた場合の電磁波シミュレーション結果を示した説明図である。 通信特性の測定結果を示した説明図である。 通信特性の他の測定結果を示した説明図である。 通信特性の他の測定結果を示した説明図である。 第２通信部の具体的な構成例を示した説明図である。 第２通信部の具体的な他の構成例を示した説明図である。 第２通信部の具体的な他の構成例を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、以下に示す項目順序に従って当該「発明を実施するための形態」を説明する。
１．通信装置の概要
２．背景
３．通信装置の具体的な構成
４．まとめ
５．補足

＜１．通信装置の概要＞
まず、図１を参照し、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１の構成を概略的に説明する。

図１は、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１の構成を示す説明図である。図１に示したように、通信装置１は、第１通信部１０及び第２通信部２０を有するアンテナ装置を備える。この第１通信部１０及び第２通信部２０は、例えば、支持基板等（図示せず）に支持されて、通信装置１の一部を構成する。この通信装置１は、２つの通信系統を有し、同時に複数の情報を送信または受信することができる。なお、図１においては、図面の明瞭性の観点から、通信装置１内の一部の構成のみを抽出して示している。

（第１通信部）
第１通信部１０は、第１系統の非接触通信として磁界結合を行う。この第１通信部１０は、例えばアンテナコイル１１を有する。

アンテナコイル１１は、磁界結合により第１系統の非接触通信を行うアンテナの一例であって、図１に示すｘｙ平面内においてコイル状に形成される。このアンテナコイル１１を「ループアンテナ」ともいう。このアンテナコイル１１は、端子１２を介して信号処理回路（図示せず）に接続され、この信号処理回路から出力される送信信号（電圧又は電流）が印加される。この送信信号によりアンテナコイル１１に電流が流れる。そして、アンテナコイル１１は、この電流により磁界Ｈを発生させる。なお、図１には、アンテナコイル１１が３回巻きのコイルである場合を示しているが、アンテナコイル１１の巻数は、これに限定されるものではない。

信号処理回路から出力される送信信号は、例えば交流の電圧又は電流であり、アンテナコイル１１で発生される磁界Ｈも、交流磁界となる。図１には、磁界Ｈが上方に向けて発生されている場合を示しているが、磁界Ｈは、交流の送信信号に応じて上方又は下方に振動する振幅を有する。また、アンテナコイル１１が形成されたｘｙ平面を、本明細書においては「コイル形成面」と称する。アンテナコイル１１が発生させた磁界Ｈは、コイル内部だけでなくコイル外部においても、コイル形成面と略垂直に交差する。つまり、アンテナコイル１１が発生させた磁界Ｈは、コイル形成面上では略垂直な方向（ｚ軸方向）に振動する振幅を有する。

なお、この第１通信部１０は、磁界結合により第１系統の非接触通信を行うアンテナの一例としてアンテナコイル１１を有するとしたが、本発明はこの例に限定されず、磁界結合により近接型の非接触通信を行うことが可能な如何なる形態のアンテナであってもよい。

（第２通信部）
第２通信部２０は、第２系統の非接触通信として電界結合を行う。この第２通信部２０は電界結合により非接触通信を行うので「電界カプラ」と称される場合もある。第２通信部２０は、電界結合用電極（以下単に「結合用電極」と称する。）２１と、接続信号線２２と、スタブ（Ｓｔｕｂ）２３と、入出力信号線２４と、基板２５とを有する。

まず、第２通信部２０の各構成部の接続関係を中心に以下説明する。

結合用電極２１は、平板状に形成され、その平板の中心下方に接続信号線２２が接続される。接続信号線２２は、結合用電極２１とスタブ２３とを電気的に接続する。スタブ２３は、入出力信号線２４と接続信号線２２との間に配置される。そして、入出力信号線２４は、端子２６を介して信号処理回路（図示せず）に接続され、この信号処理回路から出力される第２系統の送信信号（電圧又は電流）が印加される。

つまり、信号処理回路から出力された第２系統の送信信号は、端子２６を介して入出力信号線２４に入力され、入出力信号線２４により伝達されてスタブ２３に入力される。そして、スタブ２３に入力された送信信号は、接続信号線２２を介して結合用電極２１に伝達され、この結合用電極２１において電界Ｅを発生させる。

なお、受信時には、受信信号が、結合用電極２１において検出され、接続信号線２２を介してスタブ２３に入力され、入出力信号線２４および端子２６を介して信号処理回路へ伝達される。

一方、基板２５は、絶縁体などにより形成され、その表面にスタブ２３が形成され、かつ、第２通信部２０における各構成を支持する。なお、第２通信部２０は、結合用電極２１等を支持するために別途の支持部材（図示せず）を備えてもよいが、この支持部材は、例えば絶縁体で形成される。

（第１通信部および第２通信部の位置関係）
図１に示したように、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１においては、第１通信部１０と第２通信部２０とが同一平面上に配置される。この際、第２通信部２０は、第１通信部１０が発生させる磁界Ｈ中に配置される。そして、第２通信部２０の結合用電極２１は、第１通信部１０のアンテナコイル１１のコイル形成面上において、コイルのほぼ中心に配置される。

その結果、第１通信部１０の磁界結合で使用される磁界Ｈは、第２通信部２０の結合用電極２１と交差する。この際、磁界Ｈの磁界振動方向は、結合用電極２１と略垂直に交差する。よって、結合用電極２１の表面における磁界振動方向は、第２通信部２０の結合用電極２１が電界結合に使用する電界Ｅの電界振動方向に対して略平行になる。換言すれば、磁界振動方向と電界振動方向とは、コイル形成面上において互いに略平行となる。

ここで、振動方向が相互に平行な電界と磁界とは互いに影響を及ぼし難いため、通信装置１は、第１通信系統である第１通信部１０と第２通信系統である第２通信部２０との間の結合による干渉を低減させて２系統の非接触通信を行うことができる。

また、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１においては、第１通信部１０の通信面であるアンテナコイル１１の中心と、第２通信部２０の通信面である結合用電極２１の中心Ｏとが一致する。よって、この通信装置１は、２つの通信系統を同時に動作させる場合にも、各通信部の位置あわせを容易にすることができ、操作性を向上させることができる。さらに、この通信装置１においては、アンテナコイル１１単体が占めるスペースと同じ空間に、アンテナコイル１１と結合用電極２１との両方を配置することができるため、通信装置１内のスペースを有効活用することができる。

図２は通信装置１の断面図である。図２に示したように、第１通信部１０及び第２通信部２０の各構成は、以下のように形成および配置される。

基板２５は、絶縁性の材料で形成された絶縁層６３と、接地された導電性のグランド層６４とを含み、各層が積層して形成される。そして、この絶縁層６３上にスタブ２３が積層される。なお、このスタブ２３は、基板２５の絶縁層６３に形成されたスルーホール（図示せず）を介してグランド層６４に接続されてショートされる。なお、このグランド層６４は、スタブ２３のグランドとして動作すると共に、他の金属部品からの磁界などによるアンテナコイル１１に対する影響を抑えるシールドとしての役割も担う。

一方、絶縁性の材料で形成された第２基板６１の上下面には、それぞれアンテナコイル１１又は結合用電極２１が例えばエッチングなどにより形成される。アンテナコイル１１は第２基板６１の上面に配置される。結合用電極２１を第２基板６１の下面に配置することにより、結合用電極２１とスタブ２３との間の接続を容易にし、かつ、製造工程を容易にすることができる。つまり、この結合用電極２１とスタブ２３との間は接続信号線２２により接続されるが、この接続信号線２２は、バネ付きのピンにより構成される。

そして、基板２５上に所定の距離離隔した位置に第２基板６１が積層される。すると、ピン（接続信号線２２）は、バネの弾性力により結合用電極２１に押圧され、結合用電極２１は、ピンを介してスタブ２３に電気的に接続される。

また、基板２５と第２基板６１との間には、磁性体で形成され透磁率の高い磁性体層６２が配置される。この磁性体層６２は、基板２５と第２基板６１との間のスペーサとしての役割を担うだけでなく、図２に示すように、アンテナコイル１１が発生させている磁界Ｈの通路を確保する役割を担う。磁性体層６２は、このように磁界Ｈを磁性体層６２中に集中させることにより、アンテナコイル１１の特性（例えば結合特性など）を良好に保つことができる。更に磁性体層６２の厚みを調整することにより、スタブ２３と結合用電極２１との距離を正確に調整することができるため、製造精度を高めることも可能である。

＜２．背景＞
次に、図３〜図５を参照し、本発明の一実施形態に至る背景を説明する。

上記の通信装置１のように、アンテナコイルの中心に電界カプラを配置すると、アンテナコイルと電界カプラとの干渉を抑制することができる。しかし、アンテナコイルの中心に電界カプラを配置した場合であっても、図３に示すように、アンテナコイルによる非接触通信の通信特性は少なからず劣化してしまう。

図３は、アンテナコイルによる非接触通信の通信正答率と通信距離の関係を示した説明図である。より詳細には、横軸が通信距離に対応し、縦軸が通信可否を示す通信正答率（ｒｅｓｐｏｎｓｅ）に対応している。また、図３において実線がアンテナコイルのみの場合の通信正答率を示し、点線がアンテナコイルの中心に電界カプラを配置した場合の通信正答率を示している。なお、図３は、対向物を市販の交通系カードとした場合の通信正答率を示している。

図３に示したように、通信可能な距離は、アンテナコイルの中心に電界カプラを配置しない場合は２６ｍｍ程度であり、アンテナコイルの中心に電界カプラを配置した場合には２３ｍｍ程度である。すなわち、アンテナコイルの中心に電界カプラを配置すると、通信可能な距離が２〜５ｍｍ程度短くなってしまう。

また、上記では通信可能な距離の上限に着目したが、以下で図４および図５を参照して説明するように、アンテナコイルの極近傍においても発生する磁界強度が小さくなる場合がある。

図４に示したように、１ターンのアンテナ８２（４０ｍｍ×７０ｍｍ）の中央付近に電界カプラを想定した銅箔８４を配置して、電磁界シミュレーションを行った。その結果、図５（図４のｙｚ平面に対応）に示したように、１ターンのアンテナ８２の中央付近の磁界強度が小さくなることが確認された。このようにアンテナコイルの極近傍において発生する磁界強度が小さくなると、アンテナコイルの極近傍でも通信できなくなってしまうことが懸念される。

そこで、上記事情を一着眼点にして本発明の実施形態の１つに係る通信装置１を創作するに至った。本発明の実施形態の１つに係る通信装置１によれば、アンテナコイル１１の中心に第２通信部２０として電界カプラを配置した場合であっても、アンテナコイル１１で構成される第１通信部１０による非接触通信の特性劣化を抑制することができる。以下、このような通信装置１の構成を詳細に説明する。

＜３．通信装置の具体的な構成＞
以下、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１の具体的な構成の説明に先立ち、本発明に関するシミュレーションおよび実験の結果を説明する。

図６は、図４に示した条件において、銅箔８４をフェライト製の板８６に置き換えた場合の電磁波シミュレーション結果を示した説明図である。この場合、アンテナ８２から２０ｍｍ離れた位置における磁界強度は３．３１Ａ／ｍであった。銅箔８４の場合の同位置における磁界強度は２．８５Ａ／ｍであったため、銅箔８４をフェライト製の板８６に置き換えることにより、磁界強度が１６％程度向上された。

また、アンテナコイルのみを配置、アンテナコイルに加えアンテナコイルの中央に電界カプラを想定した銅箔を配置、およびアンテナコイルに加え強磁性体（フェライト）からなる磁性体シートが装着された銅箔を配置した場合の通信特性の測定を行った。

図７〜図９は、通信特性の測定結果を示した説明図である。まず、アンテナコイルの近傍に着目すると、図７に示したように、アンテナコイルに加えて銅箔を配置した場合には、アンテナコイルのみを配置した場合と比べて通信不感帯が２ｍｍ程度広がる。一方、銅箔にフェライト製の磁性体シートを装着すると、図７に示したように、通信不感帯が１ｍｍ程度狭まる。

ここで、通信特性は様々な要素に依存するため、アンテナコイルにより誘起される定量的な電圧値を比較する。図９に示したように、アンテナコイルに加えて銅箔を配置した場合には、アンテナコイルのみを配置した場合と比べ、アンテナコイルにより誘起される電圧値が小さくなる。例えば、アンテナコイルのみを配置した場合には距離１ｍｍの位置における電圧値が７６ｍＶであるのに対し、アンテナコイルに加えて銅箔を配置した場合には距離１ｍｍの位置における電圧値が１０ｍＶ以下に低下する。一方、銅箔にフェライト製の磁性体シートを装着すると、図９に示したように、距離１ｍｍの位置における電圧値が５５ｍＶまで改善される。

次に、遠方に着目すると、図８に示したように、アンテナコイルに加えて銅箔を配置した場合には、アンテナコイルのみを配置した場合と比べて通信可能距離が１ｍｍ程度短くなる。一方、銅箔にフェライト製の磁性体シートを装着すると、図８に示したように、通信可能距離が０．５ｍｍ程度改善される。

（第２通信部の具体的構成）
以上のシミュレーション結果および測定結果により、アンテナコイル中に磁性体を配置することで、アンテナコイルによる非接触通信の特性劣化を抑制できると考えられる。そこで、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１においては、アンテナコイル１１による非接触通信の特性劣化を抑制するために、第２通信部２０を構成する電界カプラの少なくとも一部を強磁性体で構成することとした。以下、図１０〜図１２を参照し、第２通信部２０の具体的な構成を説明する。

図１０〜図１２は、第２通信部２０の具体的な構成例を示した説明図である。図１０に示したように、強磁性体Ｓは結合用電極２１の電界結合面に形成されてもよい。また、図１１に示したように、強磁性体Ｓは、第２通信部２０を構成する結合用電極２１、接続信号線２２およびスタブ２３の表面全体に形成されてもよい。さらに、図１２に示したように、第２通信部２０の材質自体を強磁性体にしてもよい。なお、強磁性体の形成は、例えば、強磁性体のコーティング塗布や磁性体シートの装着により実現できる。

このように、第２通信部２０の少なくとも一部を強磁性体で構成することにより、アンテナコイル１１の中心に第２通信部２０を配置した場合であっても、アンテナコイル１１を構成する第１通信部１０による非接触通信の特性劣化を抑制することが可能となる。

＜４．まとめ＞
以上説明したように、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１においては、第１通信部１０の通信面であるアンテナコイル１１の中心と、第２通信部２０の通信面である結合用電極２１の中心Ｏとが一致する。よって、この通信装置１は、２つの通信系統を同時に動作させる場合にも、各通信部の位置あわせを容易にすることができ、操作性を向上させることができる。さらに、この通信装置１においては、アンテナコイル１１単体が占めるスペースと同じ空間に、アンテナコイル１１と結合用電極２１との両方を配置することができるため、通信装置１内のスペースを有効活用することができる。

また、第１通信部１０の磁界結合で使用される磁界Ｈは、第２通信部２０の結合用電極２１と交差する。この際、磁界Ｈの磁界振動方向は、結合用電極２１と略垂直に交差する。よって、結合用電極２１の表面における磁界振動方向は、第２通信部２０の結合用電極２１が電界結合に使用する電界Ｅの電界振動方向に対して略平行になる。ここで、振動方向が相互に平行な電界と磁界とは互いに影響を及ぼし難いため、通信装置１は、第１通信系統である第１通信部１０と第２通信系統である第２通信部２０との間の結合による干渉を低減させて２系統の非接触通信を行うことができる。

さらに、本発明の実施形態の１つに係る通信装置１においては、第２通信部２０の少なくとも一部を強磁性体で構成することにより、アンテナコイル１１の中心に第２通信部２０を配置した場合であっても、アンテナコイル１１で構成される第１通信部１０による非接触通信の特性劣化を一層抑制することができる。

＜５．補足＞
なお、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記ではフェライトを強磁性体の一例として挙げて説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、第２通信部の少なくとも一部を、鉄、コバルト、およびニッケルなどの強磁性体で構成してもよい。

１ 通信装置
１０ 第１通信部
１１ アンテナコイル
２０ 第２通信部
２１ 結合用電極
２２ 接続信号線
２３ スタブ
２４ 入出力信号線
２５ 基板
２６ 端子
６１ 第２基板
６２ 磁性体層
６３ 絶縁層
６４ グランド層

Claims (7)

1. 磁界結合により非接触通信を行う第１通信部と、
   前記第１通信部が発生させる磁界中に配置され、電界結合により非接触通信を行う第２通信部と、
   を備え、
   前記第２通信部は、少なくとも一部が強磁性体で構成され、前記磁界が前記第２通信部と交差する位置における前記磁界の振動方向に対して略平行な方向に振動する電界を発生させる、アンテナ装置。
2. 前記強磁性体は、前記第２通信部の表面の少なくとも一部に形成される、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２通信部は、前記電界結合を行うための平板状の電界結合用電極を有し、
   前記強磁性体は、前記電界結合用電極の電界結合面に形成される、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２通信部の材質が前記強磁性体である、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１通信部は、前記磁界結合を行うためのアンテナコイルを有し、
   前記第２通信部は、前記電界結合を行うための平板状の電界結合用電極を有し、
   前記電界結合用電極は、前記アンテナコイルと略同一平面上であって、かつ、前記アンテナコイルの中心に配置される、請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記強磁性体はフェライトである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 磁界結合により非接触通信を行う第１通信部と、
   前記第１通信部が発生させる磁界中に配置され、電界結合により非接触通信を行う第２通信部と、
   を有するアンテナ装置を備え、
   前記第２通信部は、少なくとも一部が強磁性体で構成され、前記磁界が前記第２通信部と交差する位置における前記磁界の振動方向に対して略平行な方向に振動する電界を発生させる、通信装置。