JP2011120307A - コイルアンテナおよび携帯電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】導体板に近接配置しても作用し、通信相手側アンテナとの結合度が高く小型のコイルアンテナおよびそれを備えた携帯電子機器を構成する。
【解決手段】下層コイル導体部１１Ｕと上層コイル導体部１１Ｓはそれぞれほぼ矩形の渦巻き状であり、下層コイル導体部１１Ｕの内側の端部と上層コイル導体部１１Ｓの内側の端部とが導通することにより両者は直列接続される。下層コイル導体部１１Ｕ及び上層コイル導体部１１Ｓについて、磁性体コア１の軸方向に平行な軸平行部ＰＡの配置間隔は、磁性体コア１の軸に直交する軸直交部ＣＡの配置間隔より狭い。また、下層コイル導体部１１Ｕの軸平行部ＰＡに対して上層コイル導体部１１Ｓの軸平行部ＰＡが重なるように配置されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、外部機器と電磁界信号を介して通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられるコイルアンテナおよび携帯電子機器に関するものである。

ＲＦＩＤシステムで用いられる携帯電子機器に搭載されるコイルアンテナが例えば特許文献１，特許文献２，特許文献３に開示されている。
図１は特許文献１に記載されるアンテナコイルの構造を示す上面図である。図１に示されるアンテナコイル３０は、フィルム３２ａ上の平面内で導体３１（３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｄ）を渦巻き状に巻回して構成された空芯コイル３２と、その空芯コイル３２の平面とほぼ平行となるように空芯コイル３２に挿入された平板状の磁芯部材３３とを備えている。空芯コイル３２には孔３２ｄが設けられ、この孔３２ｄに磁芯部材３３が挿入されている。第１ターミナル３１ａと連結導体３１ｅとはスルーホール３２ｂで連結され、第２ターミナル３１ｂと連結導体３１ｅとはスルーホール３２ｃで連結されている。そして、この磁性体アンテナが導電板３４上に配置されている。

また、特許文献２のアンテナコイルは、平面体からなるアンテナ磁心がアンテナコイルの空芯部内に挿通されつつ、アンテナコイルと実質的に同一平面を構成するように配置されている。

特許文献３のコイルアンテナは、平面上に巻いた複数のコイルが同一中心軸上に多層に配置され、各層のコイルが直列に接続されて、各層のコイル間に透磁率の高い部材が配設されている。

特開２００２−３２５０１３号公報 特開２００２−３７３３１９号公報 特開２００５−９４３１９号公報

一般に、コイルアンテナは、所定の共振周波数で共振させるために要するインダクタンスが得られれば、コイルの巻き数が多く、コイルの損失が小さく、磁心が太いほどコイルアンテナとしての特性が向上し、通信性能が良くなる。しかし、特許文献１〜３に示されているコイルアンテナにおいては次のような問題があった。

特許文献１，２のアンテナコイルは、コイルの巻き数を増やそうとすると磁性体コアを細くする必要がある、磁性体コアを太くするとコイルの巻き数が増やせない、コイル導体の線幅を細くして巻き数を増やすとコイルの損失が大きくなる、といった問題がある。

また、特許文献１のアンテナコイルは、図１に示されているように、背後の導電板３４に平行な磁束と結合させる構造である。そのため、例えば携帯電話端末に搭載した場合に、筐体内部の回路基板に平行に実装すると、携帯電話端末をリーダライタの面に対して平行にかざして使用する、といったことができないという問題がある。

特許文献３のコイルアンテナでは、透磁率の高い部材（磁性体コア）が縦方向を向いているため、このコイルアンテナを導体板上に置くと通信できない。

そこで、この発明の目的は、導体板に近接配置しても作用し、通信相手側アンテナとの結合度が高く小型のコイルアンテナおよびそのコイルアンテナを備えた携帯電子機器を提供することにある。

前記課題を解決するためにこの発明のコイルアンテナは、次のように構成する。
コイル導体開口部の周囲に巻回された形状のコイル導体と、前記コイル導体の平面に対してほぼ平行に、前記コイル導体開口部に挿通された板状の磁性体コアとを備えたコイルアンテナにおいて、
前記コイル導体は、直列接続された上層コイル導体部と下層コイル導体部とを有し、
前記磁性体コアの挿通方向を前記磁性体コアの軸方向としたとき、前記上層コイル導体部および前記下層コイル導体部のいずれについても、前記磁性体コアの軸方向に平行な部分の配置間隔は、前記磁性体コアの軸方向に直交する部分の配置間隔より狭く形成されていることを特徴とする。

例えば前記磁性体コアの軸方向に平行な部分で、前記上層コイル導体部と前記下層コイル導体部とは重なるように配置されている。

また、例えば前記磁性体コアの軸方向に直交する部分で、前記上層コイル導体部と前記下層コイル導体部とは重ならないように配置されている。

この発明の携帯電子機器はＲＦＩＤシステムで用いられ、上記コイルアンテナと、このコイルアンテナを実装する回路基板、およびこの回路基板を収容する筐体を備える。

この発明によれば、次の効果を奏する。
（Ａ）導体板に近接配置しても作用し、通信できる。

（Ｂ）同じアンテナサイズで磁性体コアを太くすることができるので、磁性体コアを通る磁束が多くなり、通信性能が良くなる。

（Ｃ）同じアンテナサイズでコイルの線幅を太くすることができるので、コイルの損失が小さくなり、通信性能が良くなる。

（Ｄ）コイルパターンのピッチを広げることで、通信相手側のアンテナコイルとの結合係数が大きくなり、通信性能が良くなる。

できる。

特許文献１に記載されるコイルアンテナの構造を示す正面図である。 第１の実施形態に係るコイルアンテナの構成を示す図である。図２（Ａ）は、フレキシブル基板１０１の上面図である。図２（Ｂ）はコイル導体１１の上層コイル導体部１１Ｓの形状を示す図である。図２（Ｃ）はコイル導体１１の下層コイル導体部１１Ｕの形状を示す図である。図２（Ｄ）は下層コイル導体部１１Ｕと上層コイル導体部１１Ｓとが重なった状態を示す図である。 図３（Ａ）はコイルアンテナ２０１の上面図、図３（Ｂ）は正面図である。 コイルの長さＬと結合係数との関係を示す図である。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るコイルアンテナの構成を示す図である。
図２（Ａ）は、コイルアンテナの構成要素に一つであるフレキシブル基板１０１の上面図である。フレキシブル基板１０１は基材１０とコイル導体１１とで構成されている。コイル導体１１は基材１０の上面に形成されている。

図２（Ｂ）は前記コイル導体１１の上層コイル導体部１１Ｓの形状を示す図である。図２（Ｃ）は前記コイル導体１１の下層コイル導体部１１Ｕの形状を示す図である。そして、図２（Ｄ）は前記下層コイル導体部１１Ｕと前記上層コイル導体部１１Ｓとが重なった状態を示す図である。

前記下層コイル導体部１１Ｕ及び前記上層コイル導体部１１Ｓはそれぞれほぼ矩形の渦巻き状であり、下層コイル導体部１１Ｕと上層コイル導体部１１Ｓとの間には絶縁層が介在している。但し、下層コイル導体部１１Ｕの内側の端部と上層コイル導体部１１Ｓの内側の端部とは導通して、両者は直列接続されている。このようにして前記コイル導体１１はコイル導体開口部ＣＷの周囲に渦巻き状に形成されている。

フレキシブル基板１０１には、上層コイル導体部１１Ｓの外側の端部に連続する端子電極１２が設けられている。また、下層コイル導体部１１Ｕの外側の端部に導通する端子電極１３が設けられている。

なお、下層コイル導体部１１Ｕと上層コイル導体部１１Ｓは、フレキシブル基板の基材の片面に重ねて形成する代わりに、フレキシブル基板の基材の両面にそれぞれ形成してもよい。
図２（Ａ）に示すように、フレキシブル基板１０１の基材１０には前記コイル導体開口部ＣＷに対応する位置に穴（スリット）Ｓが形成されている。

図３（Ａ）はコイルアンテナ２０１の上面図、図３（Ｂ）は正面図である。
フレキシブル基板１０１の穴Ｓには矩形板状のフェライトシートによる磁性体コア１が挿通されている。このことによってコイルアンテナ２０１が構成されている。このコイルアンテナ２０１が平面導体２に近接配置されることによってアンテナ装置が構成される。平面導体２は、コイルアンテナ２０１を実装する回路基板などである。コイルアンテナ２０１は、図３（Ａ）に示した端子電極１２，１３の形成面が平面導体（回路基板）２に対向するように配置される。

図２（Ａ）に示したように、下層コイル導体部１１Ｕ及び上層コイル導体部１１Ｓについて、磁性体コア１の軸方向（図の左右方向）（磁路方向）に平行な軸平行部ＰＡの配置間隔は、磁性体コア１の軸に直交する軸直交部ＣＡの配置間隔より狭い。さらにこの例では、下層コイル導体部１１Ｕの軸平行部ＰＡに対して上層コイル導体部１１Ｓの軸平行部ＰＡが重なるように配置されている。

そのため、同じアンテナサイズで磁性体コアをより太くすることができ、同じアンテナサイズでコイルの線幅をより太くすることができ、コイルパターンのピッチをより広げることができる。

ここで、コイルの損失を表す抵抗値と、通信性能の良さを表す結合係数（通信相手側のコイルアンテナとの結合係数）のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの条件は次のとおりである。

〈各コイルアンテナ〉
（１）第１の従来構造のコイルアンテナ
磁心の長さに平行なコイルを重ねず、コイル導体の線幅を広く、磁心を細くしたコイルアンテナ
磁性体コアのサイズ １４×１５×０．２ｍｍ
コイル導体の線幅 ０．１ｍｍ
（２）第２の従来構造のコイルアンテナ
磁心の長さに平行なコイルを重ねず、コイル導体の線幅を細く、磁心を太くしたコイルアンテナ
磁性体コアのサイズ １７×１５×０．２ｍｍ
コイル導体の線幅 ０．１ｍｍ
（３）本発明のコイルアンテナ
磁性体コアの長さに平行なコイルを重ね、コイル導体の線幅を広く、磁心を太くしたコイルアンテナ
磁性体コアのサイズ １７×１５×０．２ｍｍ
コイル導体の線幅 ０．３ｍｍ
〈共通項目〉
通信相手のコイルアンテナのサイズ １００×１００ｍｍ
通信相手のコイルアンテナとの距離 ３０ｍｍ
各コイルアンテナのコイル導体のサイズ ２０×１５ｍｍ
各コイルアンテナのコイル導体のターン数 ６
コイルの損失を表す抵抗値と、通信性能の良さを表す結合係数との関係は次のとおりである。

――――――――――――――――――――――――――――――
コイルアンテナ 抵抗［Ω］ 結合係数
――――――――――――――――――――――――――――――
（１） １．５９ ２．１１％
（２） ２．００ ２．２９％
（３） １．６２ ２．３３％
――――――――――――――――――――――――――――――
このように、相手側アンテナとの結合係数が高く、且つ低抵抗のコイルアンテナが構成できる。

次に、コイルの長さ（磁性体コアの周囲に巻かれる範囲のコイル軸方向の大きさ）Ｌと結合係数との関係を図４に示す。シミュレーションの条件は前述したものと共通である。
このように、磁性体コア１の軸方向の長さＭに対するコイルの長さＬの比が２５％を超えると、結合係数は最大値に達する。したがって、最良の通信性能を得ることができる。

ＣＡ…軸直交部
ＣＷ…コイル導体開口部
ＰＡ…軸平行部
Ｓ…穴
１…磁性体コア
２…平面導体
１０…基材
１１…コイル導体
１１Ｓ…上層コイル導体部
１１Ｕ…下層コイル導体部
１２，１３…端子電極
１０１…フレキシブル基板
２０１…コイルアンテナ

Claims (4)

1. コイル導体開口部の周囲に巻回された形状のコイル導体と、前記コイル導体の平面に対してほぼ平行に、前記コイル導体開口部に挿通された板状の磁性体コアとを備えたコイルアンテナにおいて、
   前記コイル導体は、直列接続された上層コイル導体部と下層コイル導体部とを有し、
   前記磁性体コアの挿通方向を前記磁性体コアの軸方向としたとき、前記上層コイル導体部および前記下層コイル導体部のいずれについても、前記磁性体コアの軸方向に平行な部分の配置間隔は、前記磁性体コアの軸方向に直交する部分の配置間隔より狭く形成されていることを特徴とする、コイルアンテナ。
2. 前記磁性体コアの軸方向に平行な部分で、前記上層コイル導体部と前記下層コイル導体部とは重なるように配置されている、請求項１に記載のコイルアンテナ。
3. 前記磁性体コアの軸方向に直交する部分で、前記上層コイル導体部と前記下層コイル導体部とは重ならないように配置されている、請求項１または２に記載のコイルアンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のコイルアンテナを備えた、ＲＦＩＤシステムで用いられる携帯電子機器であり、前記コイルアンテナを実装する回路基板、およびこの回路基板を収容する筐体を備えた携帯電子機器。

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