JP2014027389A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた通信特性を有したアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】 基板２上に内側をコイル開口部７とするコイル３を有するアンテナ部４と、内側を導体開口部６とする板状導電部５を備えている。アンテナ部４のコイル３を有する面とは反対の面に、コイル開口部７の少なくとも一部を残すように、板状導電部５の一部をコイル３の一部に重ねて配置し、板状導電部５と基板２は密着または接着している。また、板状導電部５は基板２から延長してはみ出しており、アンテナ装置１の通信相手であるリーダーライタ等の通信アンテナまたはコイル３からの磁場によって生じる、渦電流の少なくとも一部によるループ状の導電経路を有している。この導電経路は少なくとも導体開口部６に沿って形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムなどの無線通信や、非接触給電等に用いられるアンテナ装置に関する。

ＲＦＩＤなどの無線通信や、非接触給電等に用いられるアンテナの構成として、磁性体にコイルを巻きつけた構成や、基板の一方にコイルを配置して他方に磁性体を貼り付ける構成などが従来技術として知られている。

しかしながら、これらのアンテナを携帯電話等の電子機器に用いると、電子機器内部のシールド等の金属板の影響により通信特性が著しく劣化するという問題がある。そのため、優れた通信特性を得る為にはアンテナのサイズを大きくする必要があった。

しかし近年では、携帯電話等の携帯電子機器は小型化や軽量化が図られ、広く普及している。更に最近では、携帯電子機器は多機能化が図られ、アンテナを配置できるスペースは限られており、アンテナのサイズを大きくするのは困難であった。

そこで、アンテナのサイズを大型化することなく、通信特性である通信可能距離を大きくしたアンテナ装置が特許文献１に開示されている。

図６は従来技術によるアンテナ装置の構成を示す図であって、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図である。特許文献１では、誘電体または磁性体の積層基材である基板２２の内部に導電体からなるコイル２３を有しており、そのコイル２３に結合するブースターアンテナである導体部２５と、導体部２５と電磁界結合する平面アンテナである導体板部２６を備えたアンテナ装置２１が、第２の実施形態として開示されている。

導体部２５はコイル２３に結合する第１結合領域と、第１結合領域に接続された第２結合領域を有しており、導体板部２６は第２結合領域に対して所定の間隙を隔てて対向している構成となっている。

コイル２３に所定の高周波電力が給電されると、コイル２３の周囲に磁界が形成され、導体部２５および導体板部２６に誘導電流が流れる。誘導電流が流れることによって、導体部２５や導体板部２６から磁界が生じ、通信距離を広げることができるとしている。

特許文献１について、ブースターアンテナとの呼称が用いられているが受信した信号や電波等を増幅するものではなく、シールド材と同意であるため、図６において導体部とした。また、平面アンテナは平面の金属であれば良いと記載されているため、図６においては導体板部とした。

つまり、特許文献１でのブースターアンテナと平面アンテナは、本発明同様にシールドアンテナの役割を有している。以降、ブースターアンテナは導体部、平面アンテナは導体板部と記載する。

特開２０１１−２１１６１１号公報

しかしながら、従来技術は導体部と導体板部が非接触であるため、導体部と導体板部は非常に近接していなければ結合の効果を十分に得ることが出来ない。また、離れて配置されていることによって、漏れ磁束が生じ、通信特性が劣化するという課題がある。

そこで本発明は、優れた通信特性を有したアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のアンテナ装置は、内側をコイル開口部とするコイルを備えた基板を有するアンテナ部と、内側に導体開口部を有する板状導電部を備え、前記板状導電部は通信相手のアンテナまたは前記コイルからの磁場によって生じる渦電流の少なくとも一部によるループ状の導電経路を前記導体開口部に沿って有し、前記板状導電部は前記コイル開口部の少なくとも一部を残すように、前記板状導電部の一部を前記コイルの一部に重ねて配置し、前記板状導電部と前記基板が密着または接着していることを特徴とする。

また、本発明のアンテナ装置の前記導体開口部は前記コイル開口部にかからないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

また、本発明のアンテナ装置の前記板状導電部は、導体板部と、接続部と、２つの接続端子を有した導体部とを備え、前記導体板部は前記接続部によって前記導体部における前記接続端子と接続し、前記導体部の一部は前記コイルの一部に重ねて配置されていることが望ましい。

また、本発明のアンテナ装置の前記導体部は前記基板上にのみ配置されていることが望ましい。

また、本発明のアンテナ装置の前記導体部の両端部を除く部分は前記コイル上にのみ配置されていることが望ましい。

本発明によれば、板状導電部の一部をコイルの一部に重ねて配置し、アンテナ部の基板と板状導電部が密着または接着することによって、漏れ磁束を抑制できる。また、アンテナ装置の通信相手であるリーダーライタ等の通信アンテナから受ける磁束を捕らえる範囲が広くなり、通信アンテナとアンテナ部との結合を強めることができる。

以上のことより、優れた通信特性を有したアンテナ装置が得られる。

本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。 本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。 距離Ｌと結合係数との関係を示す第１のグラフである。 距離Ｌと結合係数との関係を示す第２のグラフである。 板状導電部に流れる渦電流の密度分布を示す図であって、図５（ａ）は導体開口部を設けない場合の分布、図５（ｂ）は導体開口部を設けた場合の分布である。 従来技術によるアンテナ装置の構成を示す図であって、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図である。

以上、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。

図１に示すように、本発明のアンテナ装置１は、基板２上に内側をコイル開口部７とするコイル３を有するアンテナ部４と、内側を導体開口部６とする板状導電部５を備えている。アンテナ部４のコイル３を有する面とは反対の面に、コイル開口部７の少なくとも一部を残すように、板状導電部５の一部をコイル３の一部に重ねて配置し、板状導電部５と基板２は密着または接着している。また、板状導電部５は基板２から延長してはみ出しており、アンテナ装置１の通信相手であるリーダーライタ等の通信アンテナまたはコイル３からの磁場によって生じる、渦電流の少なくとも一部によるループ状の導電経路を有している。この導電経路は少なくとも導体開口部６に沿って形成されている。

基板には回路基板やフレキシブルプリント基板等を用いれば良い。

コイルの形状は、コイルの一部と板状導電部の一部が重なり、コイルと板状導電部が電磁気的に結合する形状であれば特に制限はなく、平面コイルや、平面コイルの一部を折り曲げた形状、磁性体で作られたコアの外周にコイルを巻回したものであっても良い。

また、板状導電部は基板上に導電性材料で形成する導体パターンを延長して形成されていても良いし、基板上に導電材からなる板状部材を接着したものであっても良い。

アンテナ部と板状導電部は電磁気的に結合するため、コイルに電流が流れると、板状導電部に渦電流が発生する。また、通信相手の通信アンテナからの磁場によっても、板状導電部に渦電流が発生する。図５は板状導電部に流れる渦電流の密度分布を示す図であって、図５（ａ）は導体開口部を設けない場合の分布、図５（ｂ）は導体開口部を設けた場合の分布である。図５の密度分布は、より白色であるほど高密度の渦電流が発生していることを表し、黒色に近くなるほど低密度の渦電流であることを表している。なお、板状導電部でループ状の導電経路が発生している側、つまり高密度の渦電流がより発生している側にコイルを配置している。

図５に示すように、導体開口部を設けない場合、渦電流は生じているが高密度の渦電流が生じる箇所は発生していない。一方、板状導電部に導体開口部を設けた場合、渦電流は導体開口部を避けて流れようとするため、図５中の破線で示されたコイル上の板状導電部に渦電流が集中して高密度となっている。そのため、高密度の渦電流とコイルの間での強固な磁気結合が実現し、通信特性が向上する。

また、板状導電部に渦電流が生じると磁場を発生する。そのため、通信相手の通信アンテナから受ける磁束を捕らえる範囲が広くなり、通信アンテナとアンテナ部との結合が強まることで、優れた通信特性が得られる。また、従来技術とは異なり、アンテナ部と板状導電部間に隙間がないことにより、漏れ磁束を抑制して通信特性の劣化を抑えることができるため、さらに優れた通信特性が得られる。

以上のことより、優れた通信特性が得られるため、アンテナ装置をより小型化できる。

また、アンテナ装置の通信相手である通信アンテナから遠い方のアンテナ部の面に軟磁性シートやフェライトシート等の磁性体シートを積層してもよい。磁性体シートを積層することによって、アンテナ部の指向性を通信アンテナの方向により広げる事ができ、通信特性を向上できる。

また、導体開口部とコイル開口部の重なりが大きいほど、アンテナ部と板状導電部の電磁気的な結合が阻害され、通信特性が劣化する原因となる。そのため、導体開口部とコイル開口部とは重ならないように設置されることが望ましい。

同様に、板状導電部が複数の導体開口部を有する構成である場合、板状導電部内に複数のショートループが形成されることとなり、形成されたショートループ同士がお互いの結合を阻害し合ったり、形成されたショートループとコイルが干渉し合うことで、通信特性が劣化する原因となる。そのため、板状導電部は１ターンコイルであることが望ましい。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。

図２に示すように、本発明のアンテナ装置１１は、基板１２上に内側をコイル開口部１７とするコイル１３を有するアンテナ部１４と、内側を導体開口部１６とする板状導電部１５を備えている。さらに、板状導電部１５は２つの接続端子を有した導体部１８と、導体板部２０および接続部１９を備えており、導体板部２０は接続部１９によって導体部１８の接続端子と導電接続している。

アンテナ部１４のコイル１３を有する面とは反対の面に、コイル開口部１７に重ならないように、さらにコイル１３の一部に重ねて導体部１８を配置し、導体部１８は基板２に密着または接着している。板状導電部１５はアンテナ装置１１の通信相手であるリーダーライタ等の通信アンテナまたはコイル１３からの磁場によって生じる、渦電流の少なくとも一部によるループ状の導電経路を有しており、この場合、導体部１８と接続部１９、導体板部２０で形成される１ターンコイルとしての導電経路を有している。

従来技術では、導体部と導体板部が非接触であるため、導体部と導体板部は非常に近接していなければ十分な結合を得ることができない。そのため、部品配置に大きな制約がある電子機器に用いる場合、アンテナ装置の配置が困難であった。

一方、本発明は、導体部と導体板部は接続部によって導電接続されていれば良いため、導体部に発生した誘導電流が導体板部に流れる距離であれば、アンテナ部と導体板部の距離に制限はない。そのため、部品配置に大きな制約がある電子機器に用いる場合、アンテナ部と導体板部を配置可能な位置に配置してそれを接続することで解決できるため、アンテナ装置の配置が容易となる。

また、電子機器内における配置の関係により、導体板部をコイルから離して配置しなければならない場合は、従来技術では導体板部がコイルから離れれば離れる程、導体部のサイズを大きくする必要があり、コイルと導体部から構成されるアンテナ部のサイズが大きくなり、その分のコストが高くなるという課題が生じていた。しかし、本発明はアンテナ部の導体部と導体板部を接続すれば、アンテナ部のサイズを大きくすることなく、通信特性を確保できる。

以上より、優れた通信特性が得られるため、アンテナ部をより小型化できる。

また、導体板は導電性の部材であればどのようなものでも良く、厚み２０μｍ程度の薄膜でも用いる事が可能であるため、アンテナ装置を搭載する筐体内部のシールド材、回路基板の銅箔ベタの部分、電池等の金属部品などを利用できる。

アンテナ装置が搭載される筐体内部の部材を導体板部として用いることが可能なため、アンテナ部に導体部のみ備えていれば、筐体内部の導体板部と接続するだけで、アンテナ部のサイズを大型化することなく、通信特性を向上できる。

導体板は大きいほどにアンテナ部と通信アンテナ間の結合が向上し、優れた通信特性を得ることができる。

また、導体部に予め少なくとも２つの接続端子を備える事によって、導体部と導体板部との接続を容易に行う事ができる。

また、導体部は導体板部の方向へ基板上から飛び出して延長していても良いが、基板上にのみ配置することが望ましく、さらにはコイル上にのみ配置することが望ましい。導体部をコイル上にのみ配置することによって、渦電流がコイル上に集中し、渦電流とコイルの間での強固な磁気結合が実現し、通信特性が向上する。

（実施例１）
実施例１として図２の構成を用いた。厚さが０．５ｍｍのアルミ板で外寸５０ｍｍ×８０ｍｍの導体板部を作成した。コイルは銅箔にて基板上に３ターン巻回し、外寸は２０ｍｍ×１０ｍｍ、コイル開口部が１４ｍｍ×４ｍｍとした。また、基板のコイルを有する面とは反対の面に、接続端子を有した銅箔からなる外寸２０ｍｍ×３ｍｍの導体部を、コイルの一方の長辺に重なるように形成した。

接続端子は導体板部側の長辺の両端部に形成し、一方の接続端子と導体板部の導体部側の短辺の端部を導電接続し、他方の接続端子と導体板部の導体部側の短辺の他の端部を導電接続した。これによって、板状導電部は１ターン構成とした。

（比較例１）
比較例１として図６の構成を用いた。コイルおよび導体板は実施例１と同様とした。導体部は銅箔でコの字型の形状とし、コイルの一方の長辺を除いて他の辺と重なるように配置して、コの字型の内寸はコイル開口部に合わせて１４ｍｍ×４ｍｍとした。

図３は距離Ｌと結合係数との関係を示す第１のグラフである。図３では、実施例１および比較例１を用い、コイルの導体板部側端部と導体板部のコイル側端部間のコイル面に沿った水平方向の距離をＬとし、導体板部をコイルと水平方向に離した場合の距離Ｌと通信相手側の通信アンテナとの結合係数との関係を示している。

ここで、比較例１の導体部と導体板部は常に４ｍｍ幅で重なるように配置し、距離Ｌの長さに対応して、導体部の外寸を２０ｍｍ×（１１ｍｍ＋距離Ｌｍｍ）とした。一方、実施例１は距離Ｌに対応させて接続部を長くすることで対応した。

図３から明らかなように、実施例１ではコイルと、導体板部との距離Ｌが離れても、結合係数は高い値を維持しているのがわかる。一方、比較例１では距離Ｌが離れると徐々に結合係数が低下している。つまり、比較例１の場合、コイルと導体板部との距離が離れる場合には、優れた通信特性を得る為にアンテナ部を大きくする必要があり、その分コストが高くなる。

また、比較例１では導体部の一部と導体板部の一部を重ねるため、距離Ｌが離れる程に導体部のサイズを大きくする必要がある。導体部が大きくなれば、アンテナ装置として大きくなるため、アンテナ装置の配置が困難になる。

一方、本発明はコイルと導体板部との距離Ｌが離れても、導体部と導体板部とは接続部によって導電接続されるため、アンテナ部と導体板部の配置は容易である。また、導体部はコイルと電磁気的に強く結合しているため、距離Ｌが離れても結合係数を保つ事が可能となる。

さらに、コイルと導体板部の距離が１ｍｍの結合係数で比較すると、比較例１では結合係数０．０１８であるのに対し、実施例１では結合係数０．０２０であり、１１％の改善が得られた。

図４は距離Ｌと結合係数との関係を示す第２のグラフである。図４では、比較例１の導体部の外寸を２０ｍｍ×１１ｍｍで固定し、図３の場合と同様に、コイルと導体板部の間隔である距離Ｌと結合係数との関係を示した。

つまり、コイルと導体板部の距離Ｌが１ｍｍの時は、導体部と導体板部は３ｍｍ幅で重なっているが、コイルと導体板部の距離Ｌが３ｍｍの時は、導体部と導体板部は１ｍｍ幅で重なっていることとなる。

図４から明らかなように、比較例１では導体部と導体板部とが重なっている距離Ｌが３ｍｍまでは高い結合係数が得られているが、導体部と導体板部との重なりがなくなると急激に結合係数が低下している。

ここで、特許文献１において、コイル開口部の内縁から導体部の外縁までの距離Ｌ１、導体部と導体板部との間隔をＬ２で表した場合、Ｌ１がＬ２以上であれば、導体部から導体板部への電力伝達効率が確保できると説明している。しかし、比較例１では、Ｌ１＝Ｌ２となる距離Ｌが１１ｍｍの地点では、受信コイルのみの場合の結合係数０．０１４と同程度まで低下しており、導体部と導体板部の結合による改善効果は得られていない。

つまり、比較例１の場合、導体部と導体板部とは非常に近接していなければ十分な結合を得られない為、部品配置に制約がある電子機器に用いる場合、アンテナ装置の配置が困難となる。

以上より、本発明は優れた通信特性を有したアンテナ装置が得られる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の変更や修正が可能である。すなわち、当業者であれば成し得るであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。

１、１１、２１ アンテナ装置
２、１２、２２ 基板
３、１３、２３ コイル
４、１４ アンテナ部
５、１５ 板状導電部
６、１６ 導体開口部
７、１７ コイル開口部
１８、２５ 導体部
１９ 接続部
２０、２６ 導体板部

Claims (5)

1. 内側をコイル開口部とするコイルを備えた基板を有するアンテナ部と、内側に導体開口部を有する板状導電部を備え、前記板状導電部は通信相手のアンテナまたは前記コイルからの磁場によって生じる渦電流の少なくとも一部によるループ状の導電経路を前記導体開口部に沿って有し、前記板状導電部は前記コイル開口部の少なくとも一部を残すように、前記板状導電部の一部を前記コイルの一部に重ねて配置し、前記板状導電部と前記基板が密着または接着していることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記導体開口部は前記コイル開口部にかからないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記板状導電部は、導体板部と、接続部と、２つの接続端子を有した導体部とを備え、
   前記導体板部は前記接続部によって前記導体部における前記接続端子と接続し、
   前記導体部の一部は前記コイルの一部に重ねて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記導体部は前記基板上にのみ配置されていることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記導体部の両端部を除く部分は前記コイル上にのみ配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のアンテナ装置。

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