JP2014123925A - 無線通信システム、アンテナモジュール及び電子機器 - Google Patents

無線通信システム、アンテナモジュール及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】アンテナコイルの外径差が大きなアンテナコイルを有するアンテナモジュールとの間でも良好な通信特性を有する無線通信システムを提供する。
【解決手段】第1のアンテナコイル5を備えた第1のアンテナモジュール2と、第2のアンテナコイル20を備え、上記第1のアンテナモジュール2から発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、第1のアンテナコイル5及び第2のアンテナコイル20は互いに外径が異なり、第1、第2のアンテナコイル5,20のうち、外径の大きな一方のアンテナコイル5は、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、外径の小さな他方のアンテナコイル20の外径面積の120%以内の大きさに形成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、相互にスパイラルコイル状に形成されたアンテナコイルを用いて通信を行う無線通信システム、アンテナモジュール及び電子機器に関する。
近年の無線通信機器においては、電話通信用アンテナ、GPS用アンテナ、無線LAN/BLUETOOTH(登録商標)用アンテナ、さらにはRFID(Radio Frequency Identification)といった複数のRFアンテナが搭載されている。非接触充電方式で用いられる電力伝送方式には、電磁誘導方式、電波受信方式、磁気共鳴方式等が挙げられる。これらは、いずれも一次側コイルと二次側コイル間の電磁誘導や磁気共鳴を利用したものであり、例えばRFIDのNFC(Near Field Communication)規格では、電磁誘導を利用している。
このような近距離無線通信システムでは、例えば、スマートフォンやタブレット等の携帯型電子機器内にアンテナモジュールを内蔵し、携帯型電子機器がトランスポンダとなって駅の改札やオフィスの入退室キー、店頭での決済端末といった外部のリーダライタからの磁界を受けてデータ通信を行うことが提案されている。あるいは、携帯型電子機器がリーダライタとなり、外部のアンテナモジュールが組み込まれたICカードやICタグに対して磁界を発信させ、カード情報やタグ情報を読み取ることも提案されている。
特開2008−35464号公報
電磁誘導を利用した近距離無線通信システムにおいては、リーダライタ側のアンテナモジュールと、リーダライタから発信された磁界を受けて発生した電流によって駆動されるトランスポンダ側のアンテナモジュールとの間で、アンテナコイルの大きさが大きく異なる場合、通信できないおそれがある。
例えば、ICタグが貼られたポスターなどにリーダライタとなる携帯電話をかざすことにより、そのポスターの情報(クーポン・地図・キャンペーン案内など)を取得するような場合、ICタグに内蔵されたアンテナコイルは一辺が2cm角程度の大きさであるのに対して、携帯電話に内蔵されたアンテナコイルは一辺が4cm角程度と大きい。具体的に、NFC用のアンテナモジュールにおいて、携帯電話やスマートフォンに搭載されるアンテナコイルはリーダライタとの通信距離を稼ぐため、その外径が60mm×50mmであるのに対して、ICタグ等に内蔵される小型のアンテナコイルの外径は20mm×25mmである。
ここで、携帯電話側のアンテナモジュールから発信される磁界はアンテナコイルの近くで密となり、アンテナコイルから遠くなるほど磁束密度が疎となる。ICタグ側のアンテナモジュールから発信される磁界も、同様である。そして、近距離無線通信では、通信を行うアンテナモジュール同士をほぼ密着させて行う。そのため、図20(a)に示すように、通信を行う相互のアンテナコイルの内外径差が小さい場合は問題ないが、図20(b)に示すように、通信を行う相互のアンテナコイルの内外径差が大きくなると、一方が発信した磁束Fが他方に届かず、誘導結合ができないおそれがある。
また、近年の携帯型電子機器の小型化、薄型化の要請に伴い、携帯電話側のアンテナモジュールは、配置スペースの制約上、あるいは大径のアンテナコイルを備えたリーダライタとの通信の必要上、機器筐体の側縁に沿って巻回されることも多く、必然的に外径が大きくなってしまう。また、アンテナモジュールは、バッテリケースや補強板等の金属板と重畳して内蔵されることも多く、金属板が磁束を吸収することにより発生した渦電流により、磁束が跳ね返されてしまい、効率よく誘導結合ができないおそれもある。
これに対し、内外径差の大きなアンテナコイル間で効率よく磁束を引き込むために、厚みのある磁性シートを設けることも検討されているが、電子機器に搭載されるアンテナモジュールは、小型化、薄型化の要請から、磁性シートについても薄型化を図ることが求められている。このため、通信を行う相互のアンテナコイルの内外径差が大きなアンテナモジュール間において、磁性シートの薄型化や磁性材料の使用量削減を図りつつ、誘導結合を確保し、通信特性の劣化を抑えることが望まれている。
そこで、本発明は、近距離無線通信システムにおいて、アンテナコイルの外径差が大きなアンテナコイルを有するアンテナモジュールとの間でも良好な通信特性を有する無線通信システム、アンテナモジュール及び電子機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る無線通信システムは、第1のアンテナコイルを備えた第1のアンテナモジュールと、第2のアンテナコイルを備え、上記第1のアンテナモジュールから発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに外径が異なり、上記第1、第2のアンテナコイルのうち、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、外径の小さな他方のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されているものである。
また、本発明に係るアンテナモジュールは、第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールにおいて、上記第1のアンテナコイルは、上記第2のアンテナコイルよりも外径が大きく、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、上記第2のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されているものである。
また、本発明に係る電子機器は、第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールが内蔵された電子機器において、上記第1のアンテナコイルは、上記第2のアンテナコイルよりも外径が大きく、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、上記第2のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されているものである。
また、本発明に係るアンテナモジュールは、第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールにおいて、上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが1周巻回されて構成されているものである。
また、本発明に係る無線通信システムは、第1のアンテナコイルを備えた第1のアンテナモジュールと、第2のアンテナコイルを備え、上記第1のアンテナモジュールから発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに外径が異なり、上記第1、第2のアンテナコイルのうち、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが1周巻回されて構成されている。
また、本発明に係る電子機器は、第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールが内蔵された電子機器において、上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが1周巻回されて構成されているものである。
また、本発明に係るアンテナモジュールは、第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールにおいて、上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが複数周巻回されて構成されているものである。
また、本発明に係る無線通信システムは、第1のアンテナコイルを備えた第1のアンテナモジュールと、第2のアンテナコイルを備え、上記第1のアンテナモジュールから発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに外径が異なり、上記第1、第2のアンテナコイルのうち、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが複数周巻回されて構成されている。
また、本発明に係る電子機器は、第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールが内蔵された電子機器において、上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが複数周巻回されて構成されているものである。
本発明によれば、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、外径の小さな他方のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されている。これにより、第1、第2のアンテナモジュールを密着させると、外径の大きな一方のアンテナコイルは、外径の小さな他方のアンテナコイルに近接あるいは重畳し、当該外径の小さな他方のアンテナコイルとも良好な通信特性を実現することができる。
本発明が適用されたアンテナモジュールを示す平面図である。 無線通信システムを示す概念図である。 本発明が適用されたアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 従来のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 本発明が適用された他のアンテナモジュールを、通信相手である小型アンテナコイルとともに示す平面図である。 実施例を説明するための斜視図である。 実施例及び比較例に係るアンテナモジュールと小型アンテナコイルとの通信特性を示すグラフである。 実施例及び比較例に係るアンテナモジュールと小型アンテナコイルとの結合係数Kを示すグラフである。 アンテナパターンの最内周の長辺側の長さを40mmとした実施例を示す平面図である。 アンテナパターンの最内周の長辺側の長さを10mmとした実施例を示す平面図である。 アンテナパターンの最内周の長辺側の長さを変化させたときの、小型アンテナコイルとの結合係数Kを示すグラフである。 アンテナパターンの最内周の長辺側の長さを25mmとした実施例を示す平面図である。 アンテナパターンの最内周の長辺側の長さを30mmとした実施例を示す平面図である。 アンテナコイルの内外径の違いによる通信性能を説明するための図であり、(a)は内外径差が小さく通信可能な状態を示し、(b)は内外径差が大きく通信不可能な状態を示す。
以下、本発明が適用された無線通信システム、アンテナモジュール及び電子機器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみ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内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
[無線通信システム]
本発明が適用された無線通信システムは、携帯電話やタブレット端末等の各種携帯型の電子機器に組み込まれたアンテナモジュール2と、当該電子機器の外部に設けられた外部機器に組み込まれたアンテナモジュールとの間で、電磁誘導を利用した近距離無線通信を行うものである。電磁誘導を利用した近距離無線通信システムにおいては、リーダライタ側のアンテナモジュールと、リーダライタから発信された磁界を受けて発生した電流によって駆動されるトランスポンダ側のアンテナモジュールとの間で通信を行う。
携帯型電子機器に組み込まれたアンテナモジュール2は、内蔵バッテリから電力の供給を受けてリーダライタとして駆動し、外部に設けられたICタグに内蔵された小型アンテナモジュールとの間で近距離無線通信を行う。また、携帯型電子機器に組み込まれたアンテナモジュール2は、トランスポンダとしても機能し、外部に設けられたリーダライタからの磁界を受けて、当該リーダライタと誘導結合して、携帯型電子機器の記憶媒体であるメモリモジュールに信号を供給する。
具体的に、図1に示すように、アンテナモジュール2は、NFC等のRFID用のモジュールであり、磁性材料により形成されたシート状の磁性シート4と、磁性シート4上に設けられ、面状に巻回されたスパイラルコイル状のアンテナコイル5とを備える。
先ず、アンテナモジュール2による近距離無線通信機能について説明する。例えば図2に示すように、アンテナモジュール2は、例えば携帯電話60の筐体61内部に組み込まれ、RFID用の無線通信システム70として使用される。
無線通信システム70は、リーダライタ71が、アンテナモジュール2とともに携帯電話60に組み込まれたメモリモジュール73に対してアクセスするものである。ここで、アンテナモジュール2とリーダライタ71とは、三次元直交座標系XYZのXY平面において互いに対向するように配置されているものとする。
リーダライタ71は、XY平面において互いに対向するアンテナモジュール2のアンテナコイル5に対して、Z軸方向に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、アンテナコイル5に向けて磁界を発信するアンテナ72と、メモリモジュール73と通信を行う制御基板74とを備える。
すなわち、リーダライタ71は、アンテナ72と電気的に接続された制御基板74が配設されている。この制御基板74には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、アンテナコイル5を介してメモリモジュール73から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、メモリモジュール73に対してデータを送信する場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数(例えば、13.56MHz)の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ72を駆動する。また、制御回路は、メモリモジュール73からデータを読み出す場合、アンテナ72で受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やASK(Amplitude Shift Keying)変調方式が用いられている。
アンテナモジュール2は、アンテナコイル5が、リーダライタ71から発信される磁界を受けリーダライタ71と誘導結合して、携帯電話60に組み込まれた記憶媒体であるメモリモジュール73に信号を供給する。
アンテナコイル5は、リーダライタ71から発信される磁界を受けると、リーダライタ71と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、端子部8a、8bを介して受信信号をメモリモジュール73に供給する。
メモリモジュール73は、アンテナコイル5に流れる電流により駆動し、リーダライタ71との間で通信を行う。具体的に、メモリモジュール73は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該メモリモジュール73が有する内部メモリに書き込む。また、メモリモジュール73は、リーダライタ71に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル5を介して変調された電波をリーダライタ71に送信する。
[リーダライタ機能]
また、アンテナモジュール2は、リーダライタとしても機能し、例えば、ICタグを備えたポスターや電化製品に携帯電話60をかざすことにより、そのポスターの情報(クーポン・地図・キャンペーン案内など)を取得したり、電化製品の情報(消費電力や各種設定状態など)を取得し、あるいは設定の変更等を行う。この場合、アンテナモジュール2は、携帯電話60に内蔵されたバッテリパック81より電力が供給されることによりリーダライタとして機能する。リーダライタであるアンテナモジュール2とICタグとの近距離無線通信は、上述したリーダライタ71とアンテナモジュール2との通信と同様である。
[アンテナモジュール]
次いで、このような近距離無線通信システム1に用いられるアンテナモジュール2の構成について説明する。上述したように、アンテナモジュール2は、磁性材料により形成されたシート状の磁性シート4と、磁性シート4上に設けられ、面状に巻回されたスパイラルコイル状のアンテナコイル5とを備える(図1参照)。
磁性シート4は、例えば、NiZn系フェライトの焼結体からなる。磁性シート4は、予め薄くシート状に塗布したフェライト粒子を高温環境下で焼結させることによりシート化し、その後、所定の形状に型抜きすることにより形成される。あるいは、磁性シート4は、予め最終形状と同形状にフェライト粒子をシート状に塗布し、焼結することにより形成することもできる。その他、磁性シート4は、長方形断面を持った型に、フェライト粒子を詰め込み、平面視矩形状の直方体にフェライト粒子を焼結し、この焼結体を薄くスライスすることにより、所定の形状を得ることもできる。
なお、磁性シート4は、軟磁性粉末からなる磁性粒子と結合材としての樹脂とを含んでいてもよい。
また、磁性粒子は、フェライト等の酸化物磁性体、センダスト、パーマロイ等のFe系、Co系、Ni系、Fe−Ni系、Fe−Co系、Fe−Al系、Fe−Si系、Fe−Si−Al系、Fe−Ni−Si−Al系等の結晶系、微結晶系磁性体、あるいはFe−Si−B系、Fe−Si−B−C系、Co−Si−B系、Co−Zr系、Co−Nb系、Co−Ta系等のアモルファス金属磁性体の粒子を用いることができる。
なかでも、NFC等のRFID用アンテナモジュール2に用いられる磁性シート4は、磁性材料として上述したNiZn系フェライトが好適に用いられる。
結合材は、熱、紫外線照射等により硬化する樹脂等を用いることができる。結合材としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル等の樹脂、あるいはシリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム等の周知の材料を用いることができる。なお、結合材は、上述の樹脂又はゴムに、難燃剤、反応調整剤、架橋剤又はシランカップリング剤等の表面処理剤を適量加えてもよい。
なお、磁性シート4は、単一の磁性材料で構成する場合のみに限らず、2種類以上の磁性材料を、混合して用いてもよく、あるいは多層に積層して形成してもよい。また、磁性シート4は、同一の磁性材料であっても、磁性粒子の粒径及び/又は形状を複数選択して混合してもよく、あるいは多層に積層して形成してもよい。
[アンテナコイル]
アンテナコイル5は、ポリイミド等によるフレキシブル基板にCu箔等からなる導電パターンがスパイラルコイル状に形成されてなる。アンテナコイル5は、外形が、略矩形状、円又は楕円形状等に形成されている。以下では、一例として略矩形状に形成されたアンテナコイル5を用いて説明する。
アンテナコイル5は、アンテナパターン幅及び/又はアンテナパターン間のピッチを広げることにより、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、ICタグに設けられた小型アンテナモジュールのアンテナコイル20の外径面積の120%以内の大きさに形成されている。
[作用効果]
ここで、ICタグに設けられたアンテナコイルは、携帯電話60に内蔵されたアンテナモジュール2のアンテナコイル5よりも小さい。例えば、アンテナコイル2の外径が60mm×50mmであるのに対して、NFC規格におけるICタグ等に内蔵される小型のアンテナコイルの外径は20mm×25mmである。
上述したように、携帯電話側のアンテナモジュールから発信される磁界はアンテナコイルの近くで密となり、アンテナコイルから遠くなるほど磁束密度が疎となる。ICタグ側のアンテナモジュールから発信される磁界も、同様である。そして、近距離無線通信では、携帯電話60をICタグにかざすことにより、アンテナモジュール2とICタグ側のアンテナコイルとの距離が数mmまで密着させて行う。そのため、図4に示すように、通信を行うアンテナコイル5の内径と、ICタグ側の小型アンテナコイル20の外径との内外径差が大きくなると、一方が発信した磁束が他方に届かず、誘導結合ができないおそれがある(図20参照)。
そのため、携帯電話60側のアンテナモジュール2は、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、ICタグに設けられた小型アンテナモジュールのアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されている。これにより、図3に示すように、携帯電話60をICタグにかざすと、アンテナコイル5は、ICタグ側のアンテナモジュールの小型アンテナコイル20に近接あるいは重畳し、小型アンテナコイル20とも通信を行うことができる。
[アンテナパターン]
アンテナコイル5は、全周に亘って均等にアンテナパターンの線幅及び/又はアンテナパターン間のピッチを広げることにより、開口部6の面積を調整することができる。図1は、図4に示す従来のアンテナモジュール30におけるアンテナコイル31に対して、アンテナパターンの線幅は変えず、アンテナパターン間のピッチを広げることで、開口部6の面積を調整したものである。なお、アンテナコイル5は、従来のアンテナモジュール30のアンテナコイル31(図4)に対して、アンテナパターンの線幅及びアンテナパターン間のピッチを広げることで、開口部6の面積を調整してもよい。
[大径アンテナ部5a/小径アンテナ部5b]
また、アンテナコイル5は、図5及び図6に示すように、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部5aと、大径アンテナ部5aのパターンピッチよりも広いピッチを介して、大径アンテナ部5aの内周側に設けられた小径アンテナ部5bとを有するようにしてもよい。
大径アンテナ部5aは、従来のアンテナコイル31と同様に、磁性シート4の外側縁に沿ってアンテナパターンが複数巻回されている。大径アンテナ部5aは、アンテナモジュール2が外部に設けられたリーダライタからの磁界を受けて駆動されるトランスポンダとして機能する際に、専らリーダライタとの通信に用いられるものである。
大径アンテナ部5aの内側には小径アンテナ部5bが設けられ、大径アンテナ部5aと小径アンテナ部5bとの間には、大径アンテナ部5aのアンテナパターンのピッチよりも広いピッチPが介在されている。
小径アンテナ部5bは、アンテナモジュール2がリーダライタとして機能する際に、専ら外部に設けられたICタグ等に内蔵された小型アンテナコイル20との通信に用いられるものである。小径アンテナ部5bは、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、小型アンテナコイル20の外径面積の120%以内の大きさに形成されている。
図5に示すアンテナモジュール2は、小径アンテナ部5bが大径アンテナ部5aと直列に接続され、アンテナパターンが1周巻回されることにより、小型アンテナコイル20の外径よりも狭い開口部6が形成されている。
図6に示すアンテナモジュール2は、小径アンテナ部5bが大径アンテナ部5aと直列に接続され、アンテナパターンが複数周巻回されることにより、小型アンテナコイル20の外径よりも狭い開口部6が形成されている。図6に示す小径アンテナ部5bは、大径アンテナ部5aのパターンピッチよりも広いパターンピッチでアンテナパターンが形成されている。
なお、小径アンテナ部5bは、図7に示すように大径アンテナ部5aのアンテナパターンのパターンピッチと同じピッチで、複数周巻回されてもよい。あるいは、小径アンテナ部5bは、図8に示すようにターン毎にピッチを変えて、複数周巻回されてもよい。
また、大径アンテナ部5aと小径アンテナ部5bとは、図5や図6に示すように直列に接続されていてもよく、あるいは並列に接続されていてもよい。
[磁性シート]
磁性シート4は、アンテナコイル5の外径以上の外径を有し、アンテナコイル5が形成されたフレキシブル基板に貼着されることにより、アンテナコイル5の全領域と重畳される。
なお、アンテナモジュール2は、図9に示すように、磁性シート4を、左辺2a、右辺2bに沿って形成されたアンテナパターンとのみ重畳させてもよい。これにより、磁性シート4をアンテナコイル5の全領域に重畳させる場合に比して、磁性シート4を小型化でき、磁性材料の使用量を大幅に削減することができる。一方で、磁性シート4が左辺2a、右辺2bに沿って形成されたアンテナパターンと重畳されることで、外部に設けられたリーダライタからの磁束を効率よく受信することができ、アンテナコイル5の全面に亘って重畳される場合と同等の通信特性を奏する。
なお、アンテナコイル5として、大径アンテナ部5a及び小径アンテナ部5bを有するアンテナモジュールにおいては、磁性シート4は、図10、図11に示すように、左辺2a、右辺2bに沿って形成された大径アンテナ部5aとのみ重畳させるようにすることが好ましい。
次いで、本発明が適用されたアンテナモジュール2(図1、図5、図6)、及び従来のアンテナモジュール30(図4)の各通信特性を比較した実施例について説明する。本実施例では、実施例及び比較例に係るアンテナモジュールについて、自身がリーダライタとなって、外部に設けられた小型アンテナコイル20との間で通信を行う際の結合係数Kをシミュレーションによって求めた。
小型アンテナコイル20は、外形が25mm×20mmで、1mmピッチで5巻きのコイルである。実施例及び比較例に係るアンテナモジュール2,30のアンテナコイル5,31と小型アンテナコイル20との距離は密着させた。
<比較例>
比較例に係る従来のアンテナモジュール30は、アンテナパターンとして、外形が60mm×50mmで、0.8mmピッチの4巻きコイルが形成されている。また、比較例に係るアンテナモジュール30は、図12に示すように、磁性シートとして、アンテナコイル31の全面に亘って、厚さ0.2mm、比透磁率120のフェライトシート32が重畳されている。また、比較例に係る従来のアンテナモジュール30は、バッテリに見立てた50mm×60mm×5mmの矩形状のアルミブロック33と重畳されるとともに、アルミブロック33を介して、電子機器の外筐体に見立てた120mm×60mm×0.3mmの矩形状のステンレス板34と重畳されている。アルミブロック33とアンテナパターンとの距離は0.5mmである。
比較例に係るアンテナコイル31と、小型アンテナコイル20とを、図12に示すXY平面上に重畳させ、同図に示すアンテナコイルと小型アンテナコイル20との各中心を一致させた状態(off_X=0.0mm)から、小型アンテナコイル20をX方向へ移動させたときの結合係数Kを求めた。同様に、アンテナコイル31と小型アンテナコイル20との各中心を一致させた状態(off_Y=0.0mm)から、小型アンテナコイル20をY方向へ移動させたときの結合係数Kを求めた。
<実施例1>
実施例1に係るアンテナモジュール2は、外形が小型アンテナコイル20と相似形の53mm×48mmで、2.2mmピッチの8巻きコイルである。実施例1に係るアンテナモジュール2は、図1に示すように、全周に亘って均等にアンテナパターンのピッチが形成され、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、小型アンテナコイル20の外径面積よりも狭い。なお、実施例1に係るアンテナモジュール2は、比較例1と同様に、フェライトシート32がアンテナコイル5の全面に亘って重畳されると共に、アルミブロック33、ステンレス板34と重畳されている。
そして、実施例1に係るアンテナモジュール2においても、比較例1と同様に、アンテナコイル5と、小型アンテナコイル20とを、XY平面上に重畳させ、アンテナコイル5と小型アンテナコイル20との各中心を一致させた状態から、小型アンテナコイル20をX方向とY方向へ移動させたときの結合係数Kを求めた。
<実施例2>
実施例2に係るアンテナモジュール2は、外形が小型アンテナコイル20と相似形の53mm×48mmで、図5に示すように、0.8mmピッチの4巻きコイルからなる大径アンテナ部5aと、この大径アンテナ部5aと直列に接続された1巻きコイルからなる小径アンテナ部5bが形成されている。実施例2に係る小径アンテナ部5bは、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、小型アンテナコイル20の外径面積よりも狭い。なお、実施例2に係るアンテナモジュール2も、比較例1と同様に、フェライトシート32がアンテナコイル5の全面に亘って重畳されると共に、アルミブロック33、ステンレス板34と重畳されている。
そして、実施例2に係るアンテナモジュール2においても、比較例1と同様に、アンテナコイル5と、小型アンテナコイル20とを、XY平面上に重畳させ、アンテナコイル5と小型アンテナコイル20との各中心を一致させた状態から、小型アンテナコイル20をX方向とY方向へ移動させたときの結合係数Kを求めた。
<実施例3>
実施例3に係るアンテナモジュール2は、外形が小型アンテナコイル20と相似形の53mm×48mmで、図6に示すように、0.8mmピッチの3巻きコイルからなる大径アンテナ部5aと、この大径アンテナ部5aと直列に接続された5.0mmピッチの3巻きコイルからなる小径アンテナ部5bが形成されている。
実施例3に係る小径アンテナ部5bは、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、小型アンテナコイル20の外径面積よりも狭い。なお、実施例3に係るアンテナモジュール2も、比較例1と同様に、フェライトシート32がアンテナコイル5の全面に亘って重畳されると共に、アルミブロック33、ステンレス板34と重畳されている。
そして、実施例3に係るアンテナモジュール2においても、比較例1と同様に、アンテナコイル5と、小型アンテナコイル20とを、XY平面上に重畳させ、アンテナコイル5と小型アンテナコイル20との各中心を一致させた状態から、小型アンテナコイル20をX方向とY方向へ移動させたときの結合係数Kを求めた。
小型アンテナコイル20をX方向へ移動させたときの実施例及び比較例に係るアンテナコイル5,31との結合係数Kの推移を図13に示し、小型アンテナコイル20をY方向へ移動させたときの実施例及び比較例に係るアンテナコイル5,31との結合係数Kの推移を図14に示す。
図13、図14に示すように、実施例に係るアンテナモジュール2によれば、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、小型アンテナコイル20の外径面積と同等以下としているため、小型アンテナコイル20の外径との内外径差が小さく、良好な通信特性を有する。一方、比較例に係るアンテナモジュール30によれば、アンテナパターンの最内周の径と小型アンテナコイル20の外径との差が大きく、通信性能は劣る。
ここで、各実施例に係るアンテナコイル5と小型アンテナコイル20との結合係数Kは、アンテナコイル5の自己インダクタンスをL1、小型アンテナコイル20の自己インダクタンスをL2、相互インダクタンスをMとすると、
K=M/√(L1・L2)
で表される。小型アンテナコイル20は外径が一定であるため、自己インダクタンスL2は一定となる。したがって、実施例に係るアンテナコイル5の自己インダクタンスL1が下がることにより結合係数Kを向上することができる。このため、アンテナコイル5は、アンテナパターンのピッチが粗くなるほど自己インダクタンスL1が下がることから、実施例1の構成が、最も結合係数Kが高い。
一方で、リーダライタに搭載された大径のアンテナコイルとの通信特性を考えた場合、大径アンテナ部5aを有する実施例2や3の構成が有利である。これより、実施例3の構成は、リーダライタ及び小型アンテナコイル20との位置ずれに対するロバスト性も良好なことから、比較的通信特性のバランスが良いといえる。
次いで、全周に亘って均等にアンテナパターンのピッチが形成されたアンテナモジュール2について、アンテナパターンの最内周の径を変えて、上記小型アンテナコイル20との結合係数Kを評価した。具体的に、本実施例に係るアンテナモジュール2では、アンテナパターンの最内周の長辺側の長さを、40mm(図15)から、10mm(図16)まで変化させた。
使用したアンテナモジュール2は、外形が小型アンテナコイル20と相似形の53mm×48mmで、パターン幅0.5mmの4巻きコイルを用いた。また、本実施例に係るアンテナモジュール2も、比較例1と同様に、フェライトシート32がアンテナコイル5の全面に亘って重畳されると共に、アルミブロック33、ステンレス板34と重畳されている。
そして、本実施例に係るアンテナモジュール2においても、比較例1と同様に、アンテナコイル5と、小型アンテナコイル20とを、XY平面上に重畳させ、アンテナコイル5と小型アンテナコイル20との各中心を一致させた状態での結合係数Kを求めた。
図17に示すように、アンテナモジュール2は、アンテナパターンの最内周より内側の開口部6の面積が、小型アンテナコイル20の外径とほぼ一致するとき、すなわち、アンテナパターンの最内周の長辺の長さが25mm(図18)の近辺で通信特性が急激に改善する。
実用的には、アンテナパターンの最内周の長辺の長さが30mm(図19)以下であれば、良好な通信特性が得られる。すなわち、アンテナモジュール2は、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、小型アンテナコイル20の外径面積の1.2倍(120%)以内であれば、良好な通信特性を得ることができる。
2,30 アンテナモジュール、4 磁性シート、5,31 アンテナコイル、5a 大径アンテナ部、5b 小径アンテナ部、6 開口部、20 小型アンテナコイル、32 フェライトシート、33 アルミブロック、34 ステンレス板、60 携帯電話、70 無線通信システム、71 リーダライタ、72 アンテナ、73 メモリモジュール、74 制御基板、81 バッテリパック

Claims (18)

  1. 第1のアンテナコイルを備えた第1のアンテナモジュールと、
    第2のアンテナコイルを備え、上記第1のアンテナモジュールから発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、
    上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに外径が異なり、
    上記第1、第2のアンテナコイルのうち、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、外径の小さな他方のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されている無線通信システム。
  2. 上記外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部のアンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、上記第2のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されている請求項1記載の無線通信システム。
  3. 上記小径アンテナ部のアンテナパターンのピッチは、上記大径アンテナ部のアンテナパターンのピッチよりも広い請求項2記載の無線通信システム。
  4. 上記外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターン間のピッチが等間隔である請求項2記載の無線通信システム。
  5. 上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに略矩形状をなし、
    上記外径の大きな一方のアンテナコイルは、相対向する2辺のアンテナパターンにそれぞれ磁性シートが重畳されている請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の無線通信システム。
  6. 上記外径の大きな一方のアンテナコイルは、第1のアンテナコイルである請求項1〜5のいずれか1項に記載の無線通信システム。
  7. 第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールにおいて、
    上記第1のアンテナコイルは、上記第2のアンテナコイルよりも外径が大きく、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、上記第2のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されているアンテナモジュール。
  8. 上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部のアンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、上記第2のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されている請求項7記載のアンテナモジュール。
  9. 上記小径アンテナ部のアンテナパターンのピッチは、上記大径アンテナ部のアンテナパターンのピッチよりも広い請求項8記載のアンテナモジュール。
  10. 上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターン間のピッチが等間隔である請求項7記載のアンテナモジュール。
  11. 上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに略矩形状をなし、
    上記第1のアンテナコイルは、相対向する2辺のアンテナパターンにそれぞれ磁性シートが重畳されている請求項7〜請求項10のいずれか1項に記載のアンテナモジュール。
  12. 第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールが内蔵された電子機器において、
    上記第1のアンテナコイルは、上記第2のアンテナコイルよりも外径が大きく、アンテナパターンの最内周より内側の開口部の面積が、上記第2のアンテナコイルの外径面積の120%以内の大きさに形成されている電子機器。
  13. 第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールにおいて、
    上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが1周巻回されて構成されているアンテナモジュール。
  14. 第1のアンテナコイルを備えた第1のアンテナモジュールと、
    第2のアンテナコイルを備え、上記第1のアンテナモジュールから発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、
    上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに外径が異なり、
    上記第1、第2のアンテナコイルのうち、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが1周巻回されて構成されている無線通信システム。
  15. 第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールが内蔵された電子機器において、
    上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが1周巻回されて構成されている電子機器。
  16. 第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールにおいて、
    上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが複数周巻回されて構成されているアンテナモジュール。
  17. 第1のアンテナコイルを備えた第1のアンテナモジュールと、
    第2のアンテナコイルを備え、上記第1のアンテナモジュールから発信される磁界を受けて通信可能となる第2のアンテナモジュールとを備え、
    上記第1のアンテナコイル及び上記第2のアンテナコイルは互いに外径が異なり、
    上記第1、第2のアンテナコイルのうち、外径の大きな一方のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが複数周巻回されて構成されている無線通信システム。
  18. 第1のアンテナコイルを備え、外部に設けられた第2のアンテナコイルとの間で誘導結合により通信を行うアンテナモジュールが内蔵された電子機器において、
    上記第1のアンテナコイルは、アンテナパターンが複数巻回された大径アンテナ部と、上記大径アンテナ部の上記アンテナパターンのピッチよりも広いピッチを介して、上記大径アンテナ部の内周側に設けられた小径アンテナ部とを有し、
    上記小径アンテナ部は、上記大径アンテナ部と直列または並列に接続されるとともに、アンテナパターンが複数周巻回されて構成されている電子機器。
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