JP2011249935A - 近接型アンテナ及び無線通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触型ＩＣカードの近傍に配置された導電体によるカップリング特性の低下を、磁性体を貼り付ける方法以外の方法により抑制する。
【解決手段】近接型アンテナは、外部通信機器と磁気結合による無線通信を行うアンテナ部１３と、アンテナ部１３と絶縁した状態で該アンテナ部１３の近傍に設置された導電板１４ａとを備え、導電板１４ａは、開口部ＯＰと、該開口部ＯＰから導電板１４ａの端部に至る直線状のスリットＳＬとを有し、アンテナ部１３内のアンテナパターンは、開口部ＯＰの少なくとも一部と平面的に見て重なる位置に配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、近接型アンテナ及び無線通信機器に関し、特に非接触型ＩＣカード用の近接型アンテナ及び非接触型ＩＣカードを搭載する無線通信機器に関する。

ＭＩＦＡＲＥ（登録商標）やＦｅｌｉｃａ（登録商標）など、非接触型ＩＣカードと呼ばれるタイプの通信機器の利用が拡大している。非接触型ＩＣカードは、リーダ／ライタと呼ばれる外部通信機器との間で近距離通信を行う機能を有しており、具体的には、近接型アンテナ（カップリングコイル）とメモリ付きのＩＣチップとから構成される。非接触型ＩＣカードは、近接型アンテナを介する磁気結合により、外部通信機器との間でメモリ内のデータを送受信する。従来は独立してひとつの通信機器を構成するカードタイプのものが主流であったが、近年は携帯電話など別の用途を有する機器に併合搭載されるケースも増えている。

併合搭載されるケースでは、非接触型ＩＣカードを構成する部品とそうでない部品とが隣接して配置されることになる。非接触型ＩＣカードの近傍に導電体が配置されることもあり、そのような場合、導電体に発生する渦電流によって磁界が弱められ、非接触型ＩＣカードと外部通信機器の間のカップリング特性が低下してしまうことがある。一例を挙げると、携帯電話の筐体には金属が使われる場合があり、そのような携帯電話に非接触型ＩＣカード機能を搭載すると、筐体に発生する渦電流によって磁界が弱められ、カップリング特性が低下する。

特許文献１は、リーダ／ライタの近傍ではあるが上記と同様に導電体が存在する場合に、この導電体によるカップリング特性の低下を抑制する技術を開示している。この技術では、リーダ／ライタの導電体側の表面に磁性体を貼り付けている。これにより導電体に到達する磁界が減少し、したがってカップリング特性の低下が抑制される。

特開２００２−２９８０９５号公報

しかしながら、磁性体によるカップリング特性低下の抑制効果はあまり芳しいものではなく、より効果的にカップリング特性低下を抑制できる技術が求められている。また、特に非接触型ＩＣカードは、リーダ／ライタとは異なり小型化が求められるので、磁性体のような付加部材を用いることはあまり好ましくない。

したがって、本発明の目的の一つは、非接触型ＩＣカードの近傍に配置された導電体によるカップリング特性の低下を、磁性体を貼り付ける方法以外の方法により抑制できる近接型アンテナ及び無線通信機器を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による近接型アンテナは、外部通信機器と磁気結合による無線通信を行うアンテナパターンと、前記アンテナパターンの近傍に設置された導電板とを備え、前記導電板は、開口部と、該開口部から前記導電板の端部に至るスリットとを有し、前記アンテナパターンは、前記開口部の少なくとも一部と平面的に見て重なる位置に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、開口部の周りに、近接型アンテナと外部通信機器との間に生ずる磁界を強める方向の磁界を発生する渦電流が流れるようになる。したがって、アンテナパターンの近傍に配置された導電板によるカップリング特性の低下を抑制できる。

また、上記近接型アンテナにおいて、前記開口部は、前記導電板の中央点を避けて配置されることとしてもよい。こうすれば、カップリング特性の指向性を改善することが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記導電板は、前記アンテナパターンと前記外部通信機器の間に配置され、前記アンテナパターンを挟んで前記導電板の反対側に配置された磁性部材をさらに有することとしてもよいし、前記導電板は、前記アンテナパターンを挟んで前記外部通信機器の反対側に配置され、前記導電板を挟んで前記アンテナパターンの反対側に配置された磁性部材をさらに有することとしてもよい。こうすれば、磁性部材を用いない場合に比べ、カップリング特性が改善される。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記アンテナパターンの外形面積が前記導電板の面積の２０％以下であることとしてもよい。これによれば、良好なカップリング特性を得ることが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記開口部の面積が前記導電板の面積の１０％以下であることとしてもよい。これによっても、良好なカップリング特性を得ることが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記開口部の面積が前記アンテナパターンの内形面積の２０％以上であり、かつ前記開口部の面積が前記アンテナパターンの外形面積の４００％以下であることとしてもよい。これによっても、良好なカップリング特性を得ることが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記スリットの長さは、前記導電板のスリット方向長さの２０％以下若しくは３０％以上７０％以下であることとしてもよい。これによれば、２０％以下である場合には導電板の強度を保つことができ、３０％以上７０％以下である場合には安定したカップリング特性を得ることが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記導電板の端辺のうち少なくとも前記スリットが設けられる部分は、前記外部通信機器から離れる方向に曲がっていることとしてもよい。これによれば、近接型アンテナが外部通信機器に対して傾いている場合にも、良好なカップリング特性を得ることが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記導電板は、常磁性又は反磁性で、かつ導電率が１×１０^７Ｓ／ｍ以上である材料により構成されることとしてもよい。これによれば、良好なカップリング特性を得ることが可能になる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記近接型アンテナは、無線通信機器に搭載される非接触型ＩＣカードの一部を構成し、前記導電板は、前記無線通信機器の筐体であることとしてもよい。これによれば、無線通信機器の筐体が導電体であることによるカップリング特性の低下を抑制できる。

また、上記各近接型アンテナにおいて、前記近接型アンテナは、無線通信機器に搭載される非接触型ＩＣカードの一部を構成し、前記無線通信機器は、通信用回路及びグランド層を含む回路基板を有し、前記導電板は、前記グランド層であることとしてもよい。これによれば、無線通信機器の回路基板にグランド層が含まれることによるカップリング特性の低下を抑制できる。

また、本発明による無線通信機器は、上記各近接型アンテナのいずれかを備えることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナパターンの近傍に配置された導電板によるカップリング特性の低下を、磁性体を貼り付ける方法以外の方法により抑制できる。

本発明の第１の実施の形態による近距離通信システムのシステム構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態によるアンテナ部の平面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施の形態による携帯電話の斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施の形態による近接型アンテナを構成するスパイラルコイルと、本発明の第１の実施の形態による導電板とを示す図である。（ｂ）は、開口部及びスリットを有しない導電板を用いた場合の例を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による近接型アンテナ及び導電板付近の磁界をシミュレーションした結果を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、第１のシミュレーションに用いた導電板を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、第１のシミュレーションの結果を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、第２のシミュレーションの結果を示す図である。 第３のシミュレーションの結果を示す図である。 （ａ）は、第４のシミュレーションで用いる角度について説明するための説明図である。（ｂ）は、第４のシミュレーションの結果を示す図である。 第５のシミュレーションの結果を示す図である。 第６のシミュレーションの結果を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態による近距離通信システムで用いる携帯電話の斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ'線断面図である。 （ａ）は、第７のシミュレーションで用いる角度について説明するための説明図である。（ｂ）は、第７のシミュレーションの結果を示す図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施の形態による近距離通信システムのシステム構成を模式的に示す図である。（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態の変形例による近距離通信システムのシステム構成を模式的に示す図である。 （ａ）（ｂ）ともに、本発明の第３の実施の形態の変形例による近距離通信システムのシステム構成を模式的に示す図である。 開口部が正方形である場合と円形である場合とについて、開口部の面積の変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認したシミュレーションの結果を示す図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施の形態で示した携帯電話の変形例を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＦ−Ｆ'線断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による近距離通信システム１のシステム構成を示す図である。同図に示すように、近距離通信システム１は、近接型アンテナ１１、ＩＣチップ１２、及び本体部１５を有する携帯電話１０ａ（無線通信装置）と、近接型アンテナ２１及びＣＰＵ２２を有するリーダ／ライタ２０（外部通信装置）とから構成される。携帯電話１０ａに搭載される近接型アンテナ１１及びＩＣチップ１２は、非接触型ＩＣカードの構成要素である。

近距離通信システム１は、例えばＭＩＦＡＲＥ（登録商標）やＦｅｌｉｃａ（登録商標）などであり、リーダ／ライタ２０を使ってＩＣチップ１２内のメモリ（不図示）に記憶されるデータの読み書きを行うシステムである。

非接触型ＩＣカードとしての携帯電話１０ａとリーダ／ライタ２０の間の通信は、磁気結合による近距離通信によって実現される。具体的に説明すると、リーダ／ライタ２０は近接型アンテナ２１に常時電流を流しており、この電流によって近接型アンテナ２１の周囲に磁界が発生している。近接型アンテナ１１がこの磁界の中に入ると、磁気結合によって近接型アンテナ１１に起電力が発生し、この起電力を電源としてＩＣチップ１２が起動される。読み出し時には、ＩＣチップ１２は、内部のメモリ（不図示）に記憶しているデータに応じた電流を生成し、近接型アンテナ１１に流す。これにより磁界が変化し、近接型アンテナ２１に流れる電流も変化する。ＣＰＵ２２は、この電流の変化から、ＩＣチップ１２内に記憶されているデータを読み取る。書き込み時には、ＣＰＵ２２は、書き込みデータに基づいて近接型アンテナ２１に流す電流を変化させる。これにより磁界が変化し、近接型アンテナ１１に流れる電流も変化する。ＩＣチップ１２は、この電流の変化から書き込みデータを検出し、内部のメモリに書き込む。

携帯電話１０ａは、移動通信システムを構成する移動局装置としても機能する。移動局装置としての機能は、主として本体部１５によって実現される。本体部１５は、図示しない基地局との間で通信を行う機能や、音声入出力機能、画像入出力機能などを有する。

図１に示すように、近接型アンテナ１１は、アンテナ部１３と導電板１４ａとを含んで構成される。

図２は、アンテナ部１３の平面図である。同図に示すように、アンテナ部１３は、基板３０と、基板３０の表面に形成されたアンテナパターン３１とから構成される。図２には、アンテナパターン３１として３ターンの矩形平面スパイラルコイルを用いる例を図示しているが、アンテナパターン３１の構成はこれに限られるものではない。アンテナパターン３１の両端部３１ａ，３１ｂは、図１に示したＩＣチップ１２と接続される（不図示）。

アンテナパターン３１に関し、本発明では外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}、内径面積Ｓ_{ＩＮＮＥＲ}という用語を用いる場合がある。外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}は、アンテナパターン３１の外周によって囲まれた領域の面積、内形面積Ｓ_{ＩＮＮＥＲ}は、アンテナパターン３１の内周によって囲まれた領域の面積をそれぞれ意味する。例えば図２の例では、外周の横方向長さと縦方向長さがそれぞれＬ_ＯＸ及びＬ_ＯＹであり、したがって外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}＝Ｌ_ＯＸ×Ｌ_ＯＹとなる。また、内周の横方向長さと縦方向長さがそれぞれＬ_ＩＸ及びＬ_ＩＹであり、したがって内形面積Ｓ_{ＩＮＮＥＲ}＝Ｌ_ＩＸ×Ｌ_ＩＹとなる。

図１に戻る。導電板１４ａは、携帯電話１０ａの筐体１４の一部によって構成される導電性の板であり、アンテナ部１３と並行に設置される。導電板１４ａとアンテナ部１３とは互いに絶縁されている。リーダ／ライタ２０は、導電板１４ａに対向して配置される。

なお、図１では、アンテナ部１３が筐体１４の内部にあり、したがって導電板１４ａがアンテナ部１３と近接型アンテナ２１の間に配置されるように描いているが、アンテナ部１３を筐体１４の外部に配置し、アンテナ部１３が導電板１４ａと近接型アンテナ２１の間にあるように構成しても構わない。また、ここでは導電板１４ａが筐体１４の一部であるとしているが、携帯電話１０ａのマザーボード（後述）に形成されるグランド層（不図示）を導電板１４ａとして使用してもよいし、携帯電話１０ａの携帯電話としての構成要素を利用するのではなく、非接触型ＩＣカードとしての機能専用に導電板を設け、導電板１４ａとして用いることとしてもよい。

図３（ａ）は、携帯電話１０ａの斜視図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。なお、図３（ａ）は断面図ではないが、分かりやすくするために導電板１４ａに図３（ｂ）の断面図と同様のハッチングを施している。これは、後掲の各図でも同様である。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、携帯電話１０ａの筐体１４は略直方体であり、その６表面のうちの１つにはＬＣＤ５０及びキーパッド５１が設けられている。携帯電話１０ａの内部には、アンテナ部１３及びＩＣチップ１２（図３では図示していない。）の他、多層基板５２や電池５３が設けられる。多層基板５２は携帯電話１０ａのマザーボードを構成しており、その表面及び内部には、通信用回路及びグランド層を含む各種の電子回路が形成される。アンテナ部１３及びＩＣチップ１２以外の各部は、図１に示した本体部１５に相当する。

筐体１４は導電性の金属によって構成されており、導電板１４ａは筐体１４の背面（６表面のうちＬＣＤ５０及びキーパッド５１が設けられる面の反対面）を利用して形成される。導電板１４ａは、開口部ＯＰと、該開口部ＯＰから導電板１４ａの端部に至るスリットＳＬとを有している。

以下では、スリットＳＬの長さ，幅をそれぞれＬ_ＳＬ，Ｗ_ＳＬと表し、開口部ＯＰの面積をＳ_ＯＰと表す。また、スリットＳＬの延伸方向の導電板１４ａの長さをＬ_ＣＰ、スリットＳＬの延伸方向と直交する方向の導電板１４ａの長さをＬ_ＣＯと表す。なお、スリットＳＬの長さＬ_ＳＬは、図３（ａ）に示すように、開口部ＯＰの中央点から導電板１４ａの端部までの長さとして定義する。また、スリットＳＬの幅Ｗ_ＳＬは、両側の導電板１４ａが導通したり、両側の導電板１４ａによってキャパシタが形成されることのない範囲で、できるだけ狭く設定される。

なお、スリットＳＬ及び開口部ＯＰの内部は、図３（ａ）（ｂ）に示したように何もない空間としてもよいし、絶縁樹脂などの非導電性物質で埋めてもよい。非導電性物質で埋めれば、その分筐体１４の強度を確保できる。

開口部ＯＰ及びスリットＳＬは、図３（ａ）に示すように、導電板１４ａの中央点Ｐを避け、導電板１４ａの端部に配置される。中央点Ｐは、長方形である導電板１４ａの対角線の交点である。このような配置を採用するのは、カップリング特性の指向性を広くするためである。この点については、後にシミュレーション結果を参照しながら詳述する。なお、中央点Ｐは、ここでは導電板１４ａの対角線の交点となるが、導電板１４ａが多角形や曲線で構成された任意の形状や立体状になっている場合には、開口部ＯＰを有する面の法線方向に投影した形状を均質物で構成したと仮定した時の重心となる。

図３（ａ）（ｂ）にはアンテナ部１３の設置位置も示している。図示するように、アンテナ部１３は、開口部ＯＰの少なくとも一部とアンテナパターン３１とが平面的に見て重なる位置に配置される。

以上の構成により、導電体である導電板１４ａがあっても、非接触型ＩＣカードとしての携帯電話１０ａとリーダ／ライタ２０との間のカップリング特性は低下せず、むしろ導電板１４ａがない場合に比べてカップリング特性が向上する。以下、具体的に説明する。

図４（ａ）は、近接型アンテナ２１を構成するスパイラルコイルと、導電板１４ａとを示す図である。同図に示す矢印付きの線は、導電板１４ａに流れる渦電流を示している。この線によって示されるように、近接型アンテナ２１に近づくと、導電板１４ａに渦電流Ｖ１，Ｖ２が流れる。渦電流Ｖ１は導電板１４ａの縁部に沿って流れる電流であり、渦電流Ｖ２は開口部ＯＰの周囲を流れる電流である。なお、Ｖ１，Ｖ２は電流値ではなく、電流を識別するための識別符号である。

ここで、比較例として、開口部ＯＰ及びスリットＳＬを有しない導電板１４ａを用いた場合の例を図４（ｂ）に示す。この比較例と図４（ａ）とを比較すると理解されるように、渦電流Ｖ２は、開口部ＯＰ及びスリットＳＬが存在することによって初めて導電板１４ａに流れる電流である。つまり、スリットＳＬがあるため、渦電流Ｖ１は導電板１４ａの縁部を一周することができず、スリットＳＬを迂回することになる。そして、迂回先（スリットＳＬの内側端）には開口部ＯＰが設けられているため、渦電流Ｖ１とは逆回りの渦電流Ｖ２が発生する。

導電板１４ａに流れる渦電流は近接型アンテナ２１から生ずる磁界によって生成されるものであるため、渦電流Ｖ１は、この磁界を弱める磁界を発生する方向に流れる。これに対し、渦電流Ｖ２は、渦電流Ｖ１とは逆方向に流れることから、近接型アンテナ２１から生ずる磁界を強める方向の磁界を発生する電流となる。したがって、渦電流Ｖ２が流れることでむしろ磁界が強められ、導電板１４ａに開口部ＯＰとスリットＳＬを設けない場合は勿論、導電板１４ａがない場合に比べてもカップリング特性が向上することになる。

図５（ａ）（ｂ）は、近接型アンテナ２１及び導電板１４ａ付近の磁界をシミュレーションした結果を示す図である。図５（ａ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ'線断面の磁界を示しており、図５（ａ）は図４（ｂ）のＣ−Ｃ'断面の磁界を示している。

図５（ａ）（ｂ）では、色が薄い部分ほど磁界が強いことを示している。両図から理解されるように、開口部ＯＰの周囲には、開口部ＯＰを設けない場合には存在しない強力な磁界が発生している。これは前述した渦電流Ｖ２によって生ずるもので、開口部ＯＰとスリットＳＬを設けた導電板１４ａを用いるとカップリング特性が向上するのは、この磁界が発生するためである。

以上説明したように、導電板１４ａに開口部ＯＰ及びスリットＳＬを設けることで、非接触型ＩＣカードとしての携帯電話１０ａとリーダ／ライタ２０との間のカップリング特性が向上するが、その向上度合いは、アンテナパターン３１、導電板１４ａ、開口部ＯＰ、及びスリットＳＬの各サイズ、並びに導電板１４ａの材料などによって影響される。そこで以下では、これらの最適値について、シミュレーション結果を参照しながら説明する。

図６（ａ）〜（ｅ）は、第１のシミュレーションに用いた導電板１４ａを示す図である。同図に示すように、第１のシミュレーションでは、変化パラメータとして導電板１４ａのスリット直交方向長さＬ_ＣＯを用い、導電板１４ａの面積（＝Ｌ_ＣＯ×Ｌ_ＣＰ）の変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認した。

表１は、Ｌ_ＣＯ及びその他のパラメータの具体的な値を示している。同表において、各パラメータの下に示す記号（ｍｍなど）は、各パラメータの単位を示している。この点は、後掲する各表でも同様である。表１には示していないが、開口部ＯＰについては、スリットＳＬの延伸方向の長さを２０ｍｍ、スリットＳＬの延伸方向と直交する方向の長さを１０ｍｍとした。

なお、このシミュレーション及び後掲の各シミュレーションにおいて、特に断らない限り、近接型アンテナ２１のサイズは１１０ｍｍ角とし、近接型アンテナ２１とアンテナ部１３間の距離は３０ｍｍとし、導電板１４ａの厚さは３５μｍとした。また、導電板１４ａ及びアンテナパターン３１の配置は、近接型アンテナ２１、開口部ＯＰ、及びアンテナパターン３１の内周の各中央点が平面的に見て一致するように決定した。

図７（ａ）（ｂ）は、第１のシミュレーションの結果を示す図である。図７（ａ）（ｂ）ともに、横軸をパラメータＳ２／Ｓ１とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。変化パラメータである導電板１４ａの面積（＝Ｌ_ＣＯ×４０ｍｍ）は、パラメータＳ１とした。パラメータＳ２については、図７（ａ）ではアンテナパターン３１の外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}（＝Ｌ_ＯＸ×Ｌ_ＯＹ）とし、図７（ｂ）では開口部の面積Ｓ_ＯＰとした。

図７（ａ）を見ると、少なくともシミュレーションを行った範囲では、Ｓ２／Ｓ１の値によらず、導電板１４ａがない場合に比べて高いカップリング効率が得られている。そして、Ｓ２／Ｓ１＝０．２の近傍で急激にカップリング効率が変化し、Ｓ２／Ｓ１≦０．２では概ね良好なカップリング効率が得られている。また、Ｓ２／Ｓ１≦０．１５ではカップリング効率がより良好となり、Ｓ２／Ｓ１≦０．１１でほぼ最良のカップリング効率が得られている。したがって、アンテナパターン３１の外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}（Ｓ２）は、導電板１４ａの面積（Ｓ１）の２０％以下とすることが好ましく、１５％以下とすることがより好ましく、１１％以下とすることが特に好ましいと言える。

一方、図７（ｂ）を見ると、Ｓ２／Ｓ１＝０．１の近傍で急激にカップリング効率が変化し、Ｓ２／Ｓ１≦０．１では概ね良好なカップリング効率が得られている。また、Ｓ２／Ｓ１≦０．０７でほぼ最良のカップリング効率が得られている。したがって、開口部の面積Ｓ_ＯＰ（Ｓ２）は、導電板１４ａの面積（Ｓ１）の１０％以下とすることが好ましく、７％以下とすることがより好ましいと言える。

次に、図８（ａ）（ｂ）は、第２のシミュレーションの結果を示す図である。また、表２は、第２のシミュレーションにおけるＳ_ＯＰ及びその他のパラメータの具体的な値を示している。第２のシミュレーションでは、変化パラメータとして開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰを用い、面積Ｓ_ＯＰの変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認した。ただし、開口部ＯＰの形状は正方形とした。このシミュレーションでは、アンテナパターン３１のサイズがカップリング効率に与える影響も確認するため、サイズの異なる２種類のアンテナパターン３１（パターン１、パターン２）を用意し、それぞれについてシミュレーションを行った。表２には示していないが、パターン１のアンテナパターン３１では、線幅を０．１ｍｍ、線間距離を０．１ｍｍとした。同様に、パターン２のアンテナパターン３１では、線幅を０．２ｍｍ、線間距離を０．１ｍｍとした。

図８（ａ）（ｂ）ともに、横軸をパラメータＳ２／Ｓ１とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。変化パラメータである開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰは、パラメータＳ２とした。パラメータＳ１については、図８（ａ）ではアンテナパターン３１の内径面積Ｓ_{ＩＮＮＥＲ}（＝Ｌ_ＩＸ×Ｌ_ＩＹ）とし、図８（ｂ）ではアンテナパターン３１の外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}（＝Ｌ_ＯＸ×Ｌ_ＯＹ）とした。なお、図８（ａ）には、開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰがアンテナパターン３１の内径面積Ｓ_{ＩＮＮＥＲ}より小さい場合（Ｓ２／Ｓ１＜１）のみをプロットし、図８（ｂ）には、開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰがアンテナパターン３１の外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}より大きい場合（Ｓ２／Ｓ１＞１）のみをプロットした。

図８（ａ）を見ると、パターン１，２ともに、Ｓ２／Ｓ１が概ね０．２未満であると、カップリング効率が通信困難な値（約−２０ｄＢ以下）となることが理解される。したがって、開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰ（Ｓ２）は、アンテナパターン３１の内形面積Ｓ_{ＩＮＮＥＲ}（Ｓ１）の２０％以上とすることが好ましいと言える。

一方、図８（ｂ）を見ると、少なくともパターン２については、Ｓ２／Ｓ１が概ね４以下であると、Ｓ２／Ｓ１が小さいほど良好なカップリング効率を得られることが理解される。また、Ｓ２／Ｓ１が概ね４以上であると、Ｓ２／Ｓ１の値によらない安定したカップリング効率を得られることも理解される。パターン１についてはＳ２／Ｓ１＝４近傍でのデータが取れていないが、図８（ｂ）にプロットした２つのデータの傾向から推測すると、パターン２と同様の傾向を示すものと考えられる。したがって、Ｓ２／Ｓ１が小さいほど良好なカップリング効率が得られるようにするためには、開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰ（Ｓ２）は、アンテナパターン３１の外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}（Ｓ１）の４００％以下とすることが好ましく、一方、Ｓ２／Ｓ１の値によらないカップリング効率を得るためには、開口部ＯＰの面積Ｓ_ＯＰ（Ｓ２）は、アンテナパターン３１の外形面積Ｓ_{ＯＵＴＥＲ}（Ｓ１）の４００％以上とすることが好ましいと言える。

次に、図９は、第３のシミュレーションの結果を示す図である。また、表３は、第３のシミュレーションにおけるＬ_ＳＬ及びその他のパラメータの具体的な値を示している。第３のシミュレーションでは、変化パラメータとしてスリットＳＬの長さＬ_ＳＬを用い、長さＬ_ＳＬの変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認した。このシミュレーションでは、導電板１４ａのサイズがカップリング効率に与える影響も確認するため、サイズの異なる２種類の導電板１４ａ（パターン１、パターン２）を用意し、それぞれについてシミュレーションを行った。

図９では、横軸をパラメータＳ２／Ｓ１とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。変化パラメータであるスリットＳＬの長さＬ_ＳＬは、パラメータＳ２とした。パラメータＳ１については、導電板１４ａのスリットＳＬの延伸方向の長さＬ_ＣＰとした。

図９を見ると、パターン１，２ともに、Ｓ２／Ｓ１が概ね０．３以上０．７以下であると、カップリング効率が比較的大きな値（約−１３ｄＢ〜約−１５ｄＢ）で安定することが理解される。一方、導電板１４ａの強度維持の観点からは、Ｓ２／Ｓ１は概ね０．２以下であることが好ましいが、図９によれば、Ｓ２／Ｓ１を０．２以下としても、カップリング効率はそれほど小さくならない（−２０ｄＢ以下とはならない）。したがって、カップリング効率を比較的大きな値で安定させるためには、スリットＳＬの長さＬ_ＳＬは、導電板１４ａのスリット方向長さＬ_ＣＰの３０％以上７０％以下とすることが好ましく、一方、導電板１４ａの強度維持の観点からは、Ｓ２／Ｓ１を０．２以下とすることが好ましいと言える。

次に、図１０（ａ）は、第４のシミュレーションで用いる角度θ_１について説明するための説明図である。同図に示す携帯電話１０ａの断面図は、図３（ｂ）に示した断面図を傾けたものである。実際の使用シーンでは、図１０（ａ）に示すように、携帯電話１０ａとリーダ／ライタ２０の近接型アンテナ２１とは、必ずしも平行とはならず、角度θ_１（≠０°）の傾きをもって配置されることになる。第４のシミュレーションでは、この角度θ_１を変化パラメータとして用い、角度θ_１の変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認した。

第４のシミュレーションの目的は、開口部ＯＰ及びスリットＳＬを導電板１４ａの中央点Ｐ（図３（ａ）参照）を避けて配置することの効果を示す点にある。そこで、開口部ＯＰが中央点Ｐに重なる場合と、そうでない場合とのそれぞれについて、シミュレーションを行った。また、比較のために、導電板１４ａが存在しない場合（導電板１４ａに相当する部分を含む携帯電話１０ａの筐体１４が、非導電性の材料によって構成されている場合）についても、併せてシミュレーションを行った。

表４は、第４のシミュレーションにおける角度θ_１及びその他のパラメータの具体的な値を示している。同表に示すように、開口部ＯＰが中央点Ｐに重ならない場合と重なる場合とは、Ｌ_ＳＬの値によって区別した。このシミュレーションでは、導電板１４ａに対するアンテナ部１３の配置を、開口部ＯＰの中央点とアンテナパターン３１の内周の中央点とが平面的に見て一致するように決定した。導電板１４ａが存在しない場合については、開口部ＯＰが中央点Ｐに重ならない場合と同じ位置にアンテナ部１３を配置した。また、近接型アンテナ２１に対する携帯電話１０ａの配置を、近接型アンテナ２１の中央点とアンテナパターン３１の内周の中央点とが平面的に見て一致し、さらにこれらの最小距離Ｄ_１（図１０（ａ）を参照）が一定値となるように決定した。

図１０（ｂ）は、第４のシミュレーションの結果を示す図である。図１０（ｂ）では、横軸を角度θ_１（°）とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。図１０（ｂ）を見ると、導電板１４ａの有無によらず、角度θ_１が大きくなるほどカップリング効率が小さくなることが理解される。これは、カップリング特性に指向性があり、角度θ_１が大きいほど通信が困難になることを示している。

しかしながら、図１０（ｂ）によれば、スリットＳＬの長さＬ_ＳＬが１０ｍｍである場合には、他の場合に比べて角度θ_１の増大に対するカップリング効率の低下の度合いが小さくなっている。このことは、開口部ＯＰ及びスリットＳＬを導電板１４ａの中央点Ｐを避けて配置することにより、カップリング特性の指向性が広くなっていることを示している。したがって、開口部ＯＰ及びスリットＳＬは、図３（ａ）に示したように、導電板１４ａの中央点Ｐを避け、導電板１４ａの端部に配置することが好ましいと言える。

次に、図１１は、第５のシミュレーションの結果を示す図である。また、表５は、第５のシミュレーションにおけるＷ_ＳＬ及びその他のパラメータの具体的な値を示している。第５のシミュレーションでは、変化パラメータとしてスリットＳＬの幅Ｗ_ＳＬを用い、幅Ｗ_ＳＬの変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認した。このシミュレーションでは、開口部ＯＰのサイズがカップリング効率に与える影響も確認するため、サイズの異なる２種類の開口部ＯＰ（パターン１、パターン２）を用意し、それぞれについてシミュレーションを行った。ただし、いずれのパターンでも、開口部ＯＰの形状は正方形とした。

図１１では、横軸を変化パラメータであるスリットＳＬの幅Ｗ_ＳＬ（ｍｍ）とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。図１１を見ると、パターン１，２ともに、カップリング効率は、スリットＳＬの幅Ｗ_ＳＬにあまり影響されないことが理解される。ただし、今回のシミュレーションでは示せていないものの、幅Ｗ_ＳＬを小さくし過ぎると、スリットＳＬの両側の導電板１４ａが導通してしまい、スリットＳＬを設けた意義が失われることは明らかである。また、スリットＳＬの両側の導電板１４ａによってキャパシタが形成されることも、好ましくないと考えられる。したがって、スリットＳＬの幅Ｗ_ＳＬは、上述したように、両側の導電板１４ａが導通したり、両側の導電板１４ａによってキャパシタが形成されることのない範囲で、できるだけ狭く設定すればよいと言える。

次に、図１２は、第６のシミュレーションの結果を示す図である。また、表６は、第６のシミュレーションにおいてシミュレートした導電板１４ａの材料、その導電率Ｃ_１４ａ、及びその他のパラメータの具体的な値を示している。第６のシミュレーションでは、様々な材料によって構成された導電板１４ａを用い、各材料の導電率の違いに対するカップリング効率の変化傾向を確認した。

図１２では、横軸を変化パラメータである導電板１４ａの導電率Ｃ_１４ａ（１０^７Ｓ／ｍ）とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。図１２を見ると、材料がＦｅである１点（導電率Ｃ_１４ａ＝１．０３０×１０^７Ｓ／ｍ）を除き、カップリング効率は、導電率Ｃ_１４ａが高いほど大きくなり、導電率が１×１０^７Ｓ／ｍ以上である場合に安定することが理解される。一方、材料がＦｅである場合のカップリング効率は、ほぼ同じ導電率の他の材料を用いる場合に比べて大幅に低下することが理解される。これは、Ｆｅが強磁性体である（他の材料は常磁性体又は反磁性体）ことによるものであると考えられる。したがって、導電板１４ａとしては、常磁性又は反磁性で、かつ導電率Ｃ_１４ａが１×１０^７Ｓ／ｍ以上である材料を用いることが好ましいと言える。

以上、説明したように、非接触型ＩＣカードとしての携帯電話１０ａとリーダ／ライタ２０との間のカップリング特性は、アンテナパターン３１、導電板１４ａ、開口部ＯＰ、及びスリットＳＬのサイズ、並びに導電板１４ａの材料によって影響される。上述したようにしてこれらの具体的な値を選択すれば、最適なカップリング特性を得ることが可能になる。

図１３（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による近距離通信システムで用いる携帯電話１０ｂの斜視図である。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＥ−Ｅ'線断面図である。本実施の形態による近距離通信システムは、携帯電話１０ａに代えて携帯電話１０ｂを用いる点で第１の実施の形態による近距離通信システム１と異なっており、その他の点は第１の実施の形態と同一である。携帯電話１０ｂは、導電板１４ａに代えて導電板１４ｂを有する点で、第１の実施の形態による携帯電話１０ａと異なっている。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に、本実施の形態による携帯電話１０ｂの構成等について詳しく説明する。なお、以下の説明及び図面において、第１の実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付している。

図１３（ａ）（ｂ）に示すように、導電板１４ｂは、背面に加え、背面から幅Ｗ_Ｂ分だけ筐体１４の各側面にも広がっている。言い換えれば、導電板１４ｂの端辺は、リーダ／ライタ２０（図１）から離れる方向に、曲げ幅Ｗ_Ｂの分だけ曲がっている。スリットＳＬも側面に延伸して導電板１４ｂの端部まで設けられており、したがってリーダ／ライタ２０から離れる方向に曲がっている。

このように端辺を曲げた導電板１４ｂを用いることで、カップリング特性の指向性を広くすることが可能になる。以下、シミュレーション結果を参照しながら詳しく説明する。

図１４（ａ）は、第７のシミュレーションで用いる角度θ_２について説明するための説明図である。同図に示す携帯電話１０ｂの断面図は、図１３（ｂ）に示した断面図を傾けたものである。図１４（ａ）を図１０（ａ）と比較すると理解されるように、第７のシミュレーションは、上述した第４のシミュレーションにおいて携帯電話１０ａを携帯電話１０ｂで置換したものである。第７のシミュレーションでは、角度θ_２を変化パラメータとして用い、角度θ_２の変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認した。

第７のシミュレーションの目的は、端辺を曲げた導電板１４ｂを用いることの効果を示す点にある。そこで、曲げ幅Ｗ_Ｂ＝０ｍｍ，３ｍｍのそれぞれについて、シミュレーションを行った。Ｗ_Ｂ＝０ｍｍの導電板１４ｂは、要するに第１の実施の形態で示した導電板１４ａである。また、比較のために、導電板１４ｂが存在しない場合（導電板１４ｂに相当する部分を含む携帯電話１０ｂの筐体１４が、非導電性の材料によって構成されている場合）についても、併せてシミュレーションを行った。

表７は、第７のシミュレーションにおける各パラメータの具体的な値を示している。このシミュレーションでは、導電板１４ｂに対するアンテナ部１３の配置を、開口部ＯＰの中央点とアンテナパターン３１の内周の中央点とが平面的に見て一致するように決定した。導電板１４ｂが存在しない場合についても、同じ位置にアンテナ部１３を配置した。また、近接型アンテナ２１に対する携帯電話１０ｂの配置を、近接型アンテナ２１の中央点とアンテナパターン３１の内周の中央点とが平面的に見て一致し、さらにこれらの最小距離Ｄ_２（図１４（ａ）を参照）が一定値となるように決定した。

図１４（ｂ）は、第７のシミュレーションの結果を示す図である。図１４（ｂ）では、横軸を角度θ_２（°）とし、縦軸をカップリング効率（ｄＢ）とした。図１４（ｂ）を見ると、曲げ幅Ｗ_Ｂが３ｍｍである場合には、特に角度θ_２が６０°以上である場合に、他の場合に比べて角度θ_２の増大に対するカップリング効率の低下の度合いが小さくなっている。このことは、端辺を曲げた導電板１４ｂを用いることにより、カップリング特性の指向性が広くなっていることを示している。

以上説明したように、本実施の形態による近距離通信システムによれば、端辺を曲げた導電板１４ｂを有する携帯電話１０ｂを用いていることから、カップリング特性の指向性を広くすることが可能になっている。

図１５（ａ）は、本発明の第３の実施の形態による近距離通信システムのシステム構成を模式的に示す図である。本実施の形態による近距離通信システムは、磁性シート４０を用いる点で第１の実施の形態による近距離通信システム１と異なっており、その他の点は第１の実施の形態と同一である。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に、詳しく説明する。なお、以下の説明及び図面において、第１の実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付している。

図１５（ａ）に示すように、本実施の形態では、アンテナパターン３１を挟んで導電板１４ａの反対側に、磁性シート４０が配置される。磁性シート４０は、酸化鉄、酸化クロム、コバルト、フェライトなどの磁性体をシート状に形成してなる磁性部材であり、アンテナパターン３１の表面に絶縁性の糊（不図示）を介して貼付される。磁性シート４０は、アンテナパターン３１とほぼ同等かやや大きく、導電板１４ａよりも小さい。

図１５（ａ）に示す構成によれば、導電体１４ａから生ずる磁場のうちアンテナパターン３１方向に生ずるものが、アンテナパターン３１通過後に、磁性シート４０によってアンテナパターン３１方向に閉じ込められる。これにより、カップリング効率が改善される。

表８は、磁性シート４０の効果を示すためのシミュレーションに用いた近距離通信システム１の各パラメータを示している。磁性シート４０は、アンテナ部１３の基板３０と同じ大きさの７ｍｍ×７ｍｍの大きさとした。表９は、磁性シート４０を用いる場合と用いない場合のそれぞれについて、磁性シート４０以外の構成を同一にしてカップリング効率（ｄＢ）をシミュレートした結果の一例を示している。表９から明らかなように、磁性シート４０を用いることによってカップリング効率（ｄＢ）は改善している。

なお、第１の実施の形態で説明したように、アンテナパターン３１は携帯電話１０ａの筐体１４の外部、すなわち導電板１４ａのリーダ／ライタ２０側に配置してもよい。図１５（ｂ）は、この場合の磁性シート４０の配置例を示している。同図に示すように、この場合の磁性シート４０は、導電板１４ａを挟んでアンテナパターン３１の反対側に配置される。この場合、磁性シート４０は、導電板１４ａの表面に絶縁性の糊（不図示）を介して貼付される。

図１５（ｂ）に示す構成によれば、導電体１４ａから生ずる磁場のうちアンテナパターン３１とは逆方向に生ずるものが、磁性シート４０によってアンテナパターン３１方向に閉じ込められる。これにより、カップリング効率が改善される。

表１０は、図１５（ｂ）の例において、磁性シート４０を用いる場合と用いない場合のそれぞれについて、磁性シート４０以外の構成を同一にしてカップリング効率（ｄＢ）をシミュレートした結果の一例を示している。このシミュレーションに用いた各パラメータは、表８に示したものと同様である。表１０から明らかなように、図１５（ｂ）の例でも、磁性シート４０を用いることによってカップリング効率（ｄＢ）は改善している。

以上説明したように、本実施の形態による近距離通信システムによれば、磁性シート４０を用いていることから、磁性シート４０を用いない場合に比べ、カップリング効率（ｄＢ）を改善することが可能になっている。

なお、上記実施の形態では、リーダ／ライタ２０から最も遠い位置に磁性シート４０を配置したが、リーダ／ライタ２０から最も近い位置に磁性シート４０を配置してもよい。図１６（ａ）（ｂ）は、このような配置の具体例を示している。図１６（ａ）はアンテナパターン３１が導電板１４ａのリーダ／ライタ２０側に配置される場合の例であり、これによれば、図１５（ａ）の構成と同様、導電体１４ａから生ずる磁場のうちアンテナパターン３１方向に生ずるものが、アンテナパターン３１通過後に、磁性シート４０によってアンテナパターン３１方向に閉じ込められる。したがって、カップリング効率が改善される。また、図１６（ｂ）は導電板１４ａがアンテナパターン３１がリーダ／ライタ２０側に配置される場合の例であり、これによれば、図１５（ｂ）の構成と同様、導電体１４ａから生ずる磁場のうちアンテナパターン３１とは逆方向に生ずるものが、磁性シート４０によってアンテナパターン３１方向に閉じ込められる。したがって、カップリング効率が改善される。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

例えば、上記各実施の形態では開口部ＯＰが矩形であるとして説明したが、開口部ＯＰの形状は矩形に限られるものではなく、例えば円形や楕円形の開口部ＯＰを用いてもよい。

図１７は、開口部ＯＰが正方形である場合と円形である場合とについて、開口部の面積Ｓ_ＯＰの変化に対するカップリング効率の変化傾向を確認したシミュレーションの結果を示す図である。同図から明らかなように、カップリング効率の値は開口部ＯＰの形状によらずほぼ同一の傾向を示しており、開口部ＯＰの形状がカップリング効率の値に与える影響は小さいと言える。

また、図１８（ａ）は、本発明の第１の実施の形態で示した携帯電話１０ａの変形例を示す斜視図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＦ−Ｆ'線断面図である。この変形例では、筐体１４はプラスチックなどの絶縁体であり、導電板１４ａは筐体１４の背面に嵌めこまれた金属板によって構成される。このようにしても、導電板１４ａを構成することが可能である。その他、導電板１４ａは、導電箔や導電板を貼り付けたり、印刷することによって作製してもよい。

また、上記各実施の形態ではスリットの例として一定幅の直線状のもののみを挙げたが、スリットＳＬは一定幅の直線状でなければならないわけではない。例えば曲線状でもよいし、場所によって異なる幅を有する形状（台形状、楔状、エンタシス状など）としてもよい。

また、上記各実施の形態では導電板１４ａとアンテナ部１３とが互いに絶縁されているとしたが、導電板１４ａがグランド層によって構成される場合には、接地端を介して導電板１４ａとアンテナ部１３とが電気的に接続されていてもよい。

また、上記各実施の形態では携帯電話に非接触ＩＣカードを搭載する例を挙げて説明したが、本発明は携帯電話のみに適用されるものではなく、無線通信機器を含む通信機器一般に広く適用可能である。

１ 近距離通信システム
１０ａ，１０ｂ 携帯電話
１１ 近接型アンテナ
１２ ＩＣチップ
１３ アンテナ部
１４ 筐体
１４ａ，１４ｂ 導電板
１５ 本体部
２０ リーダ／ライタ
２１ 近接型アンテナ
３０ 基板
３１ アンテナパターン
３１ａ，３１ｂ 両端部
４０ 磁性シート
５１ キーパッド
５２ 多層基板
５３ 電池
ＯＰ 開口部
Ｐ 中央点
ＳＬ スリット

Claims (13)

1. 外部通信機器と磁気結合による無線通信を行うアンテナパターンと、
   前記アンテナパターンの近傍に設置された導電板とを備え、
   前記導電板は、開口部と、該開口部から前記導電板の端部に至るスリットとを有し、
   前記アンテナパターンは、前記開口部の少なくとも一部と平面的に見て重なる位置に配置されることを特徴とする近接型アンテナ。
2. 前記開口部は、前記導電版の中央点を避けて配置されることを特徴とする請求項１に記載の近接型アンテナ。
3. 前記導電板は、前記アンテナパターンと前記外部通信機器の間に配置され、
   前記アンテナパターンを挟んで前記導電板の反対側に配置された磁性部材をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の近接型アンテナ。
4. 前記導電板は、前記アンテナパターンを挟んで前記外部通信機器の反対側に配置され、
   前記導電板を挟んで前記アンテナパターンの反対側に配置された磁性部材をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の近接型アンテナ。
5. 前記アンテナパターンの外形面積が前記導電板の面積の２０％以下である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
6. 前記開口部の面積が前記導電板の面積の１０％以下である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
7. 前記開口部の面積が前記アンテナパターンの内形面積の２０％以上であり、かつ前記開口部の面積が前記アンテナパターンの外形面積の４００％以下である
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の近接型アンテナ。
8. 前記スリットの長さは、前記導電板のスリット方向長さの２０％以下若しくは３０％以上７０％以下である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
9. 前記導電板の端辺のうち少なくとも前記スリットが設けられる部分は、前記外部通信機器から離れる方向に曲がっている
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
10. 前記導電板は、常磁性又は反磁性で、かつ導電率が１×１０^７Ｓ／ｍ以上である材料により構成される
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
11. 前記近接型アンテナは、無線通信機器に搭載される非接触型ＩＣカードの一部を構成し、
    前記導電板は、前記無線通信機器の筐体である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
12. 前記近接型アンテナは、無線通信機器に搭載される非接触型ＩＣカードの一部を構成し、
    前記無線通信機器は、通信用回路及びグランド層を含む回路基板を有し、
    前記導電板は、前記グランド層である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の近接型アンテナ。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の近接型アンテナを備えることを特徴とする無線通信機器。

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