JP2012060372A - アンテナ装置および通信端末機器 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント配線板と共に通信端末機器の筐体に内蔵された場合であっても、筐体内の金属物との干渉を抑制し、必要な通信距離を確保できるアンテナ装置および通信端末機器を構成する。
【解決手段】フレキシブルコイル基板４０は支持フィルム４１とコイル導体４２とで構成されている。コイル導体４２は、巻回中心部がコイル開口部ＣＷである渦巻き状のパターンを備えている。ブースターアンテナ５０は、ブースター導体５１、このブースター導体５１の概略外縁の内側に存在する開口部５１Ｈおよびこの開口部５１Ｈと外縁とにつながるスリット部５１Ｓとを有する。コイル導体４２に電流が流れると、コイル導体４２から生じる磁束がブースター導体５１と結合してブースター導体５１の周縁に沿って電流が流れ、磁界の放射エリアが広がる。磁性体シート５２の外縁は平面視で、ブースター導体５１の概略外縁とほぼ一致するように重なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム用のアンテナ装置およびそれを備えた通信端末機器に関するものである。

物品の管理システムとして、リーダ・ライタとＲＦＩＤタグとを非接触方式で通信し、これらの間で情報を伝達するＲＦＩＤシステムが利用されている。ＲＦＩＤタグやリーダ・ライタは、無線信号を処理するためのＲＦＩＣチップと無線信号を送受信するためのアンテナとで構成されている。さらに、近年はフェリカ(FeliCa：登録商標)やＮＦＣ(Near Field Communication)として、ＲＦＩＤシステム用のアンテナ装置を備えた通信端末機器が利用されている。このような通信端末機器は、たとえば特許文献１に記載されている。

図１は、特許文献１の携帯情報端末２１とリーダ・ライタ間の近接時における通信の様子を示す図である。図１の例において、リーダ・ライタの送受信アンテナ部２６から放射された電磁波のうち、一部の磁場Ｈが、端末本体２２内のバッテリーパック２５等の金属物による影響を受けて反射、吸収等による減衰作用を受ける。アンテナモジュール１０の通信面ＣＳよりも電磁波の入射側に金属層３０が配置されている。この金属層３０の表面に、外部磁場の印加で誘導電流（渦電流）が発生し、これに起因して生じた磁場Ｈ１が、アンテナモジュール１０のアンテナコイル１５に誘導電流を生じさせる。

この例では、金属層３０がアンテナコイル１５の一部を覆うように、アンテナモジュール１０に近接対向配置することにより、金属層３０で発生した磁場成分Ｈ１を介してリーダ・ライタの送受信アンテナ部２６とアンテナモジュール１０のアンテナコイル１５との間が誘導結合する。この構造によって、バッテリーパック等の金属物が近くに配置されていても、良好な通信状態を確保できる、とされている。

特開２００６−２７０６８１号公報

ところで、多くの場合、通信端末機器の筐体にはプリント配線板が内蔵されていて、このプリント配線板には、半導体デバイスや積層セラミックコンデンサ等の実装部品が搭載されている。また、プリント配線板の表層や内層には引回し配線やグランド電極が設けられている。そのため、アンテナ装置が磁界を介してこれらの金属物と干渉し、アンテナの利得が低下して通信距離が短くなったり通信が不能になったりする条件が生じるおそれがあった。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プリント配線板と共に通信端末機器の筐体に内蔵された場合であっても、筐体内の金属物との干渉を抑制し、必要な通信距離を確保できるアンテナ装置および通信端末機器を提供することにある。

本発明のアンテナ装置は、通信端末機器の筐体内にプリント配線板と共に備えられるアンテナ装置であり、
コイル導体とブースターアンテナと磁性体シートとを備え、
前記コイル導体は、巻回中心部がコイル開口部であって、平面に沿って（ループ状または渦巻き状に）巻回されていて、
前記ブースターアンテナは、ブースター導体、このブースター導体の概略外縁の内側に存在する開口部およびこの開口部と外縁とにつながるスリット部を有し、前記開口部が前記コイル導体のコイル開口部と平面視で重なるように配置されていて、
前記磁性体シートは、前記ブースターアンテナおよび前記コイル導体と前記プリント配線板との間に配置され、前記ブースター導体の概略外縁と前記プリント配線板の外縁とを結ぶ範囲に達する広さを有する。
この構造により、プリント配線板と共に通信端末機器の筐体にアンテナ装置が内蔵された場合であっても、筐体内の金属物との干渉が抑制されて、アンテナ利得の低下が回避できる。

前記コイル導体は前記ブースターアンテナとほぼ同サイズの支持部材で支持されていてもよい。そして、前記磁性体シートは、前記支持部材とほぼ同サイズであって、前記支持部材に直接的または間接的に貼り付けられていてもよい。

この構造により、コイル導体の支持材とブースター導体とが貼り合わせ易く、且つ剥がれにくい。

本発明の通信端末機器は、コイル導体、ブースターアンテナおよび磁性体シートを含むアンテナ装置と、このアンテナ装置とともにプリント配線板を内蔵する筐体を備えた通信端末機器であって、
前記コイル導体は、巻回中心部がコイル開口部であって、平面に沿って（ループ状または渦巻き状に）巻回されていて、
前記ブースターアンテナは、ブースター導体、このブースター導体の概略外縁の内側に存在する開口部およびこの開口部と外縁とにつながるスリット部を有し、前記開口部が前記コイル導体のコイル開口部と平面視で重なるように配置されていて、
前記磁性体シートは、前記ブースターアンテナおよび前記コイル導体と前記プリント配線板との間に配置され、前記ブースター導体の概略外縁と前記プリント配線板の外縁とを結ぶ範囲に達する広さを有する。
この構造により、アンテナ装置は筐体内の金属物とほとんど干渉することなく、必要な通信距離を確保できる。

前記アンテナ装置は、たとえば前記筐体の上蓋部の内面に接着層を介して貼り付けられる。この構造により、アンテナ装置の支持固定構造が簡素化できる。また、プリント配線板の構造に実質的な制約がない。

前記アンテナ装置は、たとえば前記プリント配線板の一辺の近傍に配置されて、前記ブースターアンテナの前記スリット部が前記プリント配線板の前記一辺に向かって延びている。この構造により、アンテナの指向方向をプリント配線板に対するスリット部の位置によって定めることができる。

本発明によれば、プリント配線板と共に通信端末機器の筐体にアンテナ装置が内蔵された場合であっても、筐体内の金属物との干渉が抑制されて、アンテナ利得の低下が回避できる。

図１は、特許文献１の携帯情報端末２１とリーダ・ライタ間の近接時における通信の様子を示す図である。 図２（Ａ）は通信端末機器２０１の断面図、図２（Ｂ）は通信端末機器２０１の主要部の分解斜視図である。 図３はコイル導体４２に流れる電流およびブースター導体５１に流れる電流をそれぞれ示す図である。 図４（Ａ）は第１の実施形態に係る通信端末機器におけるアンテナ装置１０１に生じる磁束とプリント配線板６０との関係を示す図である。図４（Ｂ）はその比較例であるアンテナ装置１０１Ｐに生じる磁束とプリント配線板６０との関係を示す図である。 図５はプリント配線板６０のサイズがブースター導体５１の概略外縁のサイズより大きい場合について示す断面図である。 図６は第１の実施形態に係るアンテナ装置の通信端末機器の筐体内での位置関係を示す図である。 図７は第２の実施形態に係る通信端末機器２０２の断面図である。 図８は第３の実施形態に係る通信端末機器２０３の断面図である。 図９は第４の実施形態に係る通信端末機器２０４の断面図である。 図１０は第５の実施形態に係る通信端末機器２０５の断面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ装置および通信端末機器について図２〜図４を参照して説明する。
図２（Ａ）は通信端末機器２０１の断面図、図２（Ｂ）は通信端末機器２０１の主要部の分解斜視図である。この図２（Ｂ）に示すように、通信端末機器２０１は、ブースターアンテナ５０、フレキシブルコイル基板４０、磁性体シート５２、およびプリント配線板６０を備えている。

フレキシブルコイル基板４０は支持フィルム４１とコイル導体４２とで構成されている。コイル導体４２は支持フィルム４１の表面に形成されている。このコイル導体４２のパターンは、巻回中心部がコイル開口部ＣＷであり、渦巻き状に所定ターン数巻回されたパターンである。

ブースターアンテナ５０は、ブースター導体５１、このブースター導体の概略外縁（この例では長方形）の内側に存在する開口部５１Ｈおよびこの開口部５１Ｈと外縁とにつながるスリット部５１Ｓとを有する。このブースターアンテナ５０は、開口部５１Ｈおよびスリット部５１Ｓを備える導体パターンをフレキシブルコイル基板４０の支持フィルム４１に形成したものである。ブースターアンテナ５０は金属箔や金属板に開口部およびスリット部を打ち抜くことによって形成されたものであってもよい。

フレキシブルコイル基板４０とブースターアンテナ５０の一方には、粘着層が形成されていて、この粘着層を介して両者が接合される。これ以外に両面接着シートを介してフレキシブルコイル基板４０とブースターアンテナ５０とを接合してもよい。

磁性体シート５２はたとえばシート状に成形したフェライトである。この磁性体シート５２は単体の焼結フェライト板に限らず、焼結磁性体の両面を両面粘着シート及び保護用片面粘着シートでラミネートした後、焼結磁性体を複数の小片に分割したものを用いてもよい。また、焼結磁性体に限らず、フェライトと樹脂との複合体や金属磁性体であってもよい。

フレキシブルコイル基板４０は、開口部５１Ｈがコイル導体４２のコイル開口部ＣＷと平面視で重なるようにブースターアンテナ５０と重ねられる。

前記磁性体シート５２、フレキシブルコイル基板４０、およびブースターアンテナ５０によってアンテナ装置１０１が構成される。

フレキシブルコイル基板４０とブースター導体５１の概略外縁とはほぼ同一サイズである。磁性体シート５２はフレキシブルコイル基板４０（支持フィルム４１）とほぼ同サイズであって、支持フィルム４１に貼り付けられている。具体的には、支持フィルム４１の下面または磁性体シート５２の上面に粘着層を備え、この粘着層を介して、磁性体シート５２はフレキシブルコイル基板４０に貼付される。これ以外に両面接着シートを介して磁性体シート５２とフレキシブルコイル基板４０とを接合してもよい。

図２（Ａ）に示すように、通信端末機器２０１は上部筐体７１と下部筐体７２を備えている。この上部筐体７１と下部筐体７２とで囲まれる空間内にアンテナ装置１０１およびプリント配線板６０とが収納されている。

プリント配線板６０は、プリント配線板基材６１、導体６２および実装部品６３で構成されている。すなわちプリント配線板基材６１には配線やグランド電極等の導体６２が形成されていて、プリント配線板６０の表面には実装部品６３が実装されている。

アンテナ装置１０１は接着層５３を介して上部筐体７１の内面に貼着される。プリント配線板６０は下部筐体７２側に設けられる。
図２に示した例では、磁性体シート５２はブースター導体５１の概略外縁およびフレキシブルコイル基板４０とほぼ同サイズである。そのため、平面視で、磁性体シート５２の外縁はブースター導体５１の概略外縁とほぼ一致するように重なる。

フレキシブルコイル基板４０にはコイル導体の両端に導通するパッド電極が形成されていて、プリント配線板６０に設けられているピン端子がパッド電極に当接するように設けられている。必要に応じて磁性体シート５２には、フレキシブルコイル基板のパッド電極の形成位置にピン端子が通る開口部を形成している。

図３はコイル導体４２に流れる電流およびブースター導体５１に流れる電流をそれぞれ示す図である。但し、これらの電流は、コイル導体４２、ブースターアンテナ５０、磁性体シート５２及びプリント配線板６０を積層した状態での電流である。

図３に示すように、コイル導体４２に電流ＥＣ４が流れると、コイル導体４２から生じる磁束がブースター導体５１に鎖交しようとするので、その磁束を遮るようにブースター導体５１に、コイル導体４２に流れる電流の向きとは反対方向の電流ＥＣ５が生じる。開口部５１Ｈの周囲に流れる電流は、スリット部５１Ｓの周囲を通り、ブースター導体５１の周縁に沿って流れる。ブースター導体５１の周縁を沿って電流が流れることで、磁界の放射エリアが広がり、ブースター導体５１は、磁界を増幅するブースターアンテナとして作用する。このように、コイル導体４２とブースター導体５１とは主として磁界を介して結合する。

一方、磁性体シート５２はブースターアンテナ５０の開口部５１Ｈ及びスリット部５１Ｓの形成領域を覆う。そのため、開口部５１Ｈの周囲及びスリット部５１Ｓの両脇を流れる電流による磁束は、プリント配線板６０に形成されている配線、グランド電極および実装部品に対してほとんど鎖交しない。換言すると、磁性体シート５２は、ブースターアンテナ５０の開口部５１Ｈの周囲を流れる電流がグランド電極から見えないように隠している。そのため、開口部５１Ｈの周囲及びスリット部５１Ｓの両脇を流れる電流による誘導電流はグランド電極にほとんど流れない。

図４（Ａ）は第１の実施形態に係る通信端末機器におけるアンテナ装置１０１に生じる磁束とプリント配線板６０との関係を示す図である。図４（Ｂ）はその比較例であるアンテナ装置１０１Ｐに生じる磁束とプリント配線板６０との関係を示す図である。

第１の実施形態に係る通信端末機器におけるアンテナ装置１０１によれば、図４（Ａ）に示すように、ブースターアンテナの開口部５１Ｈとブースター導体５１の外側とを通る磁束φ（以下、「ブースター導体５１の内外を回る磁束φ」という。）が生じる。磁性体シート５２はブースター導体５１の概略外縁とほぼ同サイズであるので、プリント配線板６０側から見て磁性体シート５２はブースター導体５１を覆っている（磁気的に隠している）。ここで、プリント配線板６０の幅をＷ１、磁性体シート５２の幅をＷ２、ブースター導体５１の概略外形の幅をＷ３で表すと、Ｗ３≒Ｗ２の関係にある。そのため、プリント配線板６０上の実装部品６３はブースター導体５１の内外を回る磁束φとはほとんど結合しない。また、プリント配線板６０の配線、グランド電極および実装部品についても、ブースター導体５１の内外を回る磁束φがほとんど結合しない。なお、この例では、Ｗ３≒Ｗ２≒Ｗ１の関係でもある。

これに対して、図４（Ｂ）に示すように、磁性体シート５２がコイル導体４２の形成領域のみを覆うサイズであると、ブースター導体５１の内外を回る磁束φがプリント配線板６０上の実装部品６３と結合してしまう。同様にプリント配線板６０の配線、グランド電極および実装部品についても、ブースター導体５１の内外を回る磁束φが結合する。図４（Ｂ）の例では、Ｗ３＞Ｗ２の関係である。このような状態であると、ブースター導体５１の内外を回る磁束φがプリント配線板６０の導体（配線、グランド電極）６２および実装部品６３の影響を受けて充分な磁束が形成されなくなる。そのため、アンテナ装置１０１Ｐの利得は、それ単体の場合に比較して低下する。

図５はプリント配線板６０のサイズがブースター導体５１の概略外縁のサイズより大きい場合について示す断面図である。図４に示した例では、磁性体シート５２の幅Ｗ２がブースター導体５１の幅Ｗ３とほぼ等しく、且つプリント配線板６０の幅Ｗ１ともほぼ等しいが、一般的に表すと、磁性体シート５２のサイズは、ブースター導体５１の概略外縁とプリント配線板６０の外縁とを結ぶ範囲に達する広さを有していればよい。図５の例では、ブースター導体５１の概略外縁とプリント配線板６０の外縁とを結ぶ範囲（四角錐の側面）に磁性体シート５２の外縁が達していればよい。

図６は第１の実施形態に係るアンテナ装置の通信端末機器の筐体内での位置関係を示す図である。図６中のアンテナ装置１０１の構成は既に述べたとおり、ブースター導体５１、開口部５１Ｈ、スリット部５１Ｓ、コイル導体４２、支持フィルム４１を備えている。図６では隠れているが、支持フィルム４１とプリント配線板６０との間には磁性体シートが配置されている。

アンテナ装置１０１はプリント配線板６０の一辺の近傍に配置されていて、ブースターアンテナのスリット部５１Ｓは、プリント配線板６０の一辺に向かって延びている。この構造により、プリント配線板６０の中央から前記一辺方向にアンテナの指向方向が向く。このプリント配線板６０の一辺を通信端末機器の上方に対応させることによって通信端末機器の上方にアンテナの指向性をもたせることができる。

《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態に係る通信端末機器２０２の断面図である。この通信端末機器２０２は、アンテナ装置１０２とプリント配線板６０を備えている。上部筐体７１にアンテナ装置１０２が接着層５３を介して貼付され、下部筐体７２にプリント配線板６０が設けられている。プリント配線板６０の基本的な構成は第１の実施形態で示したものと同じである。

アンテナ装置１０２は支持フィルム４１にコイル導体４２を形成したフレキシブルコイル基板と、ブースター導体５１と、磁性体シート５２を備えている。フレキシブルコイル基板の支持フィルム４１のサイズはブースター導体５１より小さい。しかし、磁性体シート５２のサイズはブースター導体５１の概略外縁とほぼ同サイズである。すなわち、平面視で、磁性体シート５２の外縁はブースター導体５１の概略外縁とほぼ一致するように重なる。そのため、ブースター導体５１の内外を回る磁束は実装部品６３、プリント配線板６０の導体（配線およびグランド電極）６２にまでほとんど達しないので、アンテナ装置１０２は実装部品６３、プリント配線板６０の導体６２の影響をほとんど受けない。

《第３の実施形態》
図８は第３の実施形態に係る通信端末機器２０３の断面図である。この通信端末機器２０３は、アンテナ装置１０３とプリント配線板６０を備えている。上部筐体７１にアンテナ装置１０３が接着層５３を介して貼付され、下部筐体７２にプリント配線板６０が設けられている。プリント配線板６０の基本的な構成は第１の実施形態で示したものと同じである。

アンテナ装置１０３は支持フィルム４１にコイル導体４２を形成したフレキシブルコイル基板と、ブースター導体５１と、磁性体シート５２を備えている。ブースター導体５１はフレキシブルコイル基板の支持フィルム４１と磁性体シート５２との間に挟み込まれている。磁性体シート５２のサイズはブースター導体５１の概略外縁とほぼ同サイズである。このように、ブースター導体５１はフレキシブルコイル基板より磁性体シート側にあってもよい。

《第４の実施形態》
図９は第４の実施形態に係る通信端末機器２０４の断面図である。この通信端末機器２０４は、アンテナ装置１０４とプリント配線板６０を備えている。上部筐体７１にアンテナ装置１０４が接着層５３を介して貼付され、下部筐体７２にプリント配線板６０が設けられている。プリント配線板６０の基本的な構成は第１の実施形態で示したものと同じである。

アンテナ装置１０４は支持フィルム４１にコイル導体４２を形成したフレキシブルコイル基板と、ブースター導体５１と、磁性体シート５２を備えている。フレキシブルコイル基板の支持フィルム４１とブースター導体５１は上部筐体７１の縁の湾曲部にまで達していて、その湾曲部に沿って湾曲している。磁性体シート５２はブースター導体５１の端部を覆う位置にまで延びている。そのため、プリント配線板６０から見てブースター導体５１は磁性体シート５２で隠れることになり、ブースター導体５１の内外を回る磁束は実装部品６３、プリント配線板６０の導体（配線およびグランド電極）６２にまでほとんど達しない。したがって、アンテナ装置１０４は実装部品６３、プリント配線板６０の導体６２の影響をほとんど受けない。

このように、ブースター導体５１や支持フィルム４１をフレキシブルな材料で構成すれば、このような折り曲げ構造が可能であり、この場合、筐体の側部方向への指向性を大きくできる。

《第５の実施形態》
図１０は第５の実施形態に係る通信端末機器２０５の断面図である。この通信端末機器２０５は、アンテナ装置１０５とプリント配線板６０を備えている。上部筐体７１にアンテナ装置１０５が接着層５３を介して貼付され、下部筐体７２にプリント配線板６０が設けられている。プリント配線板６０の基本的な構成は第１の実施形態で示したものと同じである。

第５の実施形態では、コイル導体４２は支持フィルム４１に複数層にわたって形成されている。各層には渦巻き状のコイル導体が形成されていて、且つ層間がビア電極で導通されて、複数層で所定ターン数のコイル導体が形成されている。

このように、コイル導体を積層構造にすることで、積層された複数の渦巻き状のコイル導体４２のうちブースター導体５１に隣接する渦巻き状導体部分のみが、ブースター導体５１との間の容量形成に対して支配的になる。そのため、必要なインダクタンスを得るためにターン数を増大させても、ターン数の増大に伴う容量増加が少なく、コイル導体４２の周波数特性を安定化させることができる。

《他の実施形態》
以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

たとえば、コイル導体とブースター導体を共通の支持フィルムに形成する必要はなく、コイル導体の支持部材とブースター導体の支持部材を別体としてもよい。この場合、周波数特性に支配的であるコイル導体の支持部材を高周波特性に優れた液晶ポリマーのような熱可塑性樹脂で形成し、大型で薄層化の要求されるブースター導体の支持部材をＰＥＴのような熱硬化性樹脂で形成することが好ましい。

また、ブースター導体は、筐体の表側に設けられていてもよい。また、筐体が金属である場合には、筐体の一部をブースター導体として兼ねてもよい。

ＣＷ…コイル開口部
４０…フレキシブルコイル基板
４１…支持フィルム
４２…コイル導体
５０…ブースターアンテナ
５１…ブースター導体
５１Ｈ…開口部
５１Ｓ…スリット部
５２…磁性体シート
５３…接着層
６０…プリント配線板
６１…プリント配線板基材
６２…導体
６３…実装部品
７１…上部筐体
７２…下部筐体
１０１〜１０５…アンテナ装置
２０１〜２０５…通信端末機器

Claims (5)

1. 通信端末機器の筐体内にプリント配線板と共に備えられるアンテナ装置において、
   コイル導体とブースターアンテナと磁性体シートとを備え、
   前記コイル導体は、巻回中心部がコイル開口部であって、平面に沿って巻回されていて、
   前記ブースターアンテナは、ブースター導体、このブースター導体の概略外縁の内側に存在する開口部およびこの開口部と外縁とにつながるスリット部を有し、前記開口部が前記コイル導体のコイル開口部と平面視で重なるように配置されていて、
   前記磁性体シートは、前記ブースターアンテナおよび前記コイル導体と前記プリント配線板との間に配置され、前記ブースター導体の概略外縁と前記プリント配線板の外縁とを結ぶ範囲に達する広さを有すること、
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 前記コイル導体を支持する、前記ブースターアンテナとほぼ同サイズの支持部材を備え、前記磁性体シートは、前記支持部材とほぼ同サイズであって、前記支持部材に直接的または間接的に貼り付けられている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. コイル導体、ブースターアンテナおよび磁性体シートを含むアンテナ装置と、このアンテナ装置とともにプリント配線板を内蔵する筐体を備えた通信端末機器であって、
   前記コイル導体は、巻回中心部がコイル開口部であって、平面に沿って巻回されていて、
   前記ブースターアンテナは、ブースター導体、このブースター導体の概略外縁の内側に存在する開口部およびこの開口部と外縁とにつながるスリット部を有し、前記開口部が前記コイル導体のコイル開口部と平面視で重なるように配置されていて、
   前記磁性体シートは、前記ブースターアンテナおよび前記コイル導体と前記プリント配線板との間に配置され、前記ブースターアンテナの外縁と前記プリント配線板の外縁とを結ぶ範囲に達する広さを有すること、
   を特徴とする通信端末機器。
4. 前記アンテナ装置は、前記筐体の上蓋部の内面に接着層を介して貼り付けられている、請求項３に記載の通信端末機器。
5. 前記アンテナ装置は、前記プリント配線板の一辺の近傍に配置されていて、前記ブースターアンテナの前記スリット部は、前記プリント配線板の前記一辺に向かって延びている、請求項３または４に記載の通信端末機器。

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