JP2014195138A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気結合型で、通信距離の長いアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１０は、磁気結合型のアンテナ装置であって、金属板１３０と、前記金属板の一方の面側に配設される板状の磁性体１１０と、前記磁性体１１０に巻回されるコイル状のアンテナとを含み、通信の相手となるアンテナ装置が発生する磁束と磁気的に結合することによって通信を行う。磁性体１１０は、直方体状の焼結フェライトである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

従来より、コイル導体が形成されたフレキシブル基板が磁性体コアの表面に沿って巻き付けられた磁性体アンテナがある。この磁性体アンテナでは、磁性体コアは平行な少なくとも２辺を備えた板状を成し、前記コイル導体は、巻回中心部を導体開口部とする、平行な少なくとも２辺を備える矩形渦巻き状を成している。また、この磁性体アンテナでは、前記フレキシブル基板は、前記導体開口部の中心から離れた前記コイル導体の２辺に沿って且つ前記磁性体コアの前記２辺に沿って折り曲げられている（例えば、特許文献１参照）。

また、筐体内部に設置され、磁性体からなる磁心にコイルが巻回され、電磁波の磁界成分を受信する磁気センサ型アンテナにおいて、磁束を集める前記磁心の端部を隣接する筐体または隣接する筐体内部の金属部から遠ざかる方向に曲げたアンテナがあった（例えば、特許文献２参照）。

従来の磁性体アンテナは、磁気結合型ではあるが、十分な通信距離を確保することが困難であった。

また、従来のアンテナは、共振型のアンテナであり、通信距離は長いが、磁気結合による通信を行うことはできない。

そこで、本発明は、磁気結合型で、通信距離の長いアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の一観点の磁気結合型のアンテナ装置であって、金属板と、前記金属板の一方の面側に配設される板状の磁性体と、前記磁性体に巻回されるコイル状のアンテナとを含む。

磁気結合型で、通信距離の長いアンテナ装置を提供できる。

実施の形態１のアンテナ装置１０を示す斜視図である。 実施の形態１のアンテナ装置１０を示す三面図である。 実施の形態１のアンテナ部１００を示す斜視図である。 実施の形態１のアンテナ部１００を示す三面図である。 比較用のアンテナ部１５０を示す斜視図である。 比較用のアンテナ部１５０を示す三面図である。 実施の形態１のアンテナ部１００と比較用のアンテナ部１５０の周囲における磁束密度Ｂのシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１のアンテナ部１００と比較用のアンテナ部１５０の周囲における磁界Ｈのシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１のアンテナ装置１０と比較用のアンテナ装置５０のシミュレーション用のモデルを示す図である。 図９に示すモデルをＹ軸正方向側から見た場合のＸＺ平面と平行な側面を示す図である。 実施の形態２のアンテナ部２００を示す斜視図である。 実施の形態２のアンテナ部２００を示す三面図である。 実施の形態１のアンテナ部１００の周囲における磁束密度Ｂと磁界Ｈのシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態２のアンテナ部２００の周囲における磁束密度Ｂと磁界Ｈのシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１のアンテナ部１００と、実施の形態２のアンテナ部２００及び２００Ａを示す斜視図である。 アンテナ部１００（密巻き）、アンテナ部２００（疎巻き）、及びアンテナ部２００Ａ（大疎巻き）の結合係数を示す図である。 実施の形態２の変形例のアンテナ部２００Ｂを示す図である。 実施の形態２の変形例のアンテナ部２００Ｃを示す図である。 実施の形態２の変形例のアンテナ部２００Ｄを示す図である。

以下、本発明のアンテナ装置を適用した実施の形態について説明する。

図１は、実施の形態１のアンテナ装置１０を示す斜視図である。図２は、実施の形態１のアンテナ装置１０を示す三面図である。図１及び図２では、直交座標系であるＸＹＺ座標系を定義する。

アンテナ装置１０は、磁気結合型のアンテナ装置であり、磁性体１１０、コイル１２０、及び金属板１３０を含む。

磁気結合型のアンテナ装置１０は、特定の周波数の電波と共振を起こすことによって電波の送信又は受信を行う共振型のアンテナ装置とは異なり、通信相手となるアンテナ装置が発生する磁束と磁気的に結合することによって通信を行うアンテナ装置である。

このため、共振型のアンテナ装置の通信距離が数メートルから数キロメートル以上であるのに対して、磁気結合型のアンテナ装置１０の通信距離は、例えば、１メートル以下程度である。

すなわち、磁気結合型のアンテナ装置１０は、近距離通信あるいは近接通信用のアンテナ装置である。アンテナ装置１０は、例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚの信号の送信又は受信を行う。

磁性体１１０は、直方体状の焼結フェライトであり、例えば、短手方向（Ｘ軸方向）の長さＡが１１ｍｍ、長手方向（Ｙ軸方向）の長さＢが１４ｍｍ、厚さＣ（Ｚ軸方向の長さ）が０．２ｍｍである。

このような磁性体１１０の寸法は一例であり、例えば、短手方向（Ｘ軸方向）の長さＡが６ｍｍ、長手方向（Ｙ軸方向）の長さＢが２４ｍｍ、厚さＣ（Ｚ軸方向の長さ）が０．２ｍｍであってもよい。

磁性体１１０は、板状であればよいため、アンテナ装置１０を実装する空間のサイズや形状等に応じて、形状を決めればよい。磁性体１１０は、焼結フェライトに限られるものではなく、所謂強磁性体であれば、鉄、ニッケル、コバルト、又は、これらの合金を用いてもよい。また、磁性体１１０は、可撓性を有するフレキシブルなシート状の部材であってもよい。

コイル１２０は、磁性体１１０の長手方向（Ｙ軸方向）における中央部において、磁性体１１０の短手方向（Ｘ軸方向）に巻回されるコイル状のアンテナ（コイルアンテナ）の一例である。このため、磁性体１１０の周囲にコイル１２０が巻回されている部分のＹ軸方向における中心位置と、磁性体１１０のＹ軸負方向側の端部との間の長さＤは、長さＢが１４ｍｍの場合は７ｍｍであり、長さＢが２４ｍｍの場合は１２ｍｍである。

コイル１２０の両側の端部１２１、１２２は、アンテナ装置１０を用いて通信を行う装置の通信部に接続される。

コイル１２０としては、例えば、銅線を用いることができる。コイル１２０の太さ（線径）は、例えば、５０μｍであればよい。コイル１２０の巻数は、例えば、２０回程度であり、磁性体１１０の周囲に巻回されているコイル１２０同士が密に接するように巻回される。

ここでは、このようなコイル１２０の巻き方を密巻きと称す。また、コイル１２０として用いる導線の表面にはエナメルコートが施してあり、エナメルコートを施した状態で、コイル１２０の太さ（線径）は、６９μｍである。

なお、上述したコイル１２０の太さや巻数は一例であり、アンテナ装置１０の用途等に応じて、適宜設定すればよい。

また、ここでは、コイル１２０を磁性体１１０の短手方向に巻く形態について説明するが、磁性体１１０の長手方向にコイル１２０を巻くよりも、図２に示すように、磁性体１１０の短手方向に巻く方が良好な特性が得られるものと考えられる。

これは、磁性体１１０の短手方向にループ状に巻回したコイル１２０により、磁性体１１０の両端（Ｙ軸正方向側の端部とＹ軸負方向側の端部）には、反磁界が発生する。この反磁界の影響は、コイル１２０を巻回する部位と、磁性体１１０の両端との間の距離が長いほど少なくなる。

また、磁性体１１０の長手方向にコイル１２０を巻くと、短手方向に巻いた場合よりも断面積が増えることにより、磁気抵抗が低下する。

後述するように、磁気抵抗が上昇するとＹ軸方向とは異なる方向にも磁界が発生することを発見した。一方、磁気抵抗が低下するとＹ軸方向の磁界だけを利用することになり、アンテナ要求仕様によっては、利用範囲が限定される場合があることがわかった。

このような理由から、コイル１２０を磁性体１１０の短手方向に巻くことが望ましく、また、磁性体１１０は平面視で長方形であることが好ましい。また、コイル１２０を巻回するのは磁性体１１０の端部ではなく、中央部であることが好ましい。

金属板１３０は、平面視で磁性体１１０よりも大きな板状の部材であり、例えば、銅板を用いることができる。金属板１３０は、コイル１２０が巻回された磁性体１１０を搭載するために用いられる。コイル１２０が巻回された磁性体１１０は、例えば、接着剤等で金属板１３０の表面に固定される。

なお、ここでは銅板を金属板１３０として用いる形態について説明するが、金属板１３０は銅製の板状部材に限られず、他の金属製であってもよい。

また、ここでは、コイル１２０が巻回された磁性体１１０を接着剤等で金属板１３０の表面に固定する形態について説明するが、コイル１２０が巻回された磁性体１１０と金属板１３０との位置関係が固定されるのであれば、接着剤等による固定以外の手法で、コイル１２０が巻回された磁性体１１０と金属板１３０とを固定してもよい。

次に、アンテナ装置１０のうち、磁性体１１０とコイル１２０とによって構成されるアンテナ部１００の原理について説明する。

図３は、実施の形態１のアンテナ部１００を示す斜視図である。図４は、実施の形態１のアンテナ部１００を示す三面図である。図３及び図４では、直交座標系であるＸＹＺ座標系を定義する。

アンテナ部１００は、磁気結合型のアンテナ部であり、磁性体１１０とコイル１２０とを含む。

磁気結合型のアンテナ部１００は、特定の周波数の電波と共振を起こすことによって電波の送信又は受信を行う共振型のアンテナ部とは異なり、通信相手となるアンテナ部が発生する磁束と磁気的に結合することによって通信を行うアンテナ部である。

このため、共振型のアンテナ部の通信距離が数メートルから数キロメートル以上であるのに対して、磁気結合型のアンテナ部１００の通信距離は、例えば、１メートル以下程度である。

すなわち、磁気結合型のアンテナ部１００は、近距離通信あるいは近接通信用のアンテナ部である。アンテナ部１００は、例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚの信号の送信又は受信を行う。

次に、実施の形態１のアンテナ部１００を、比較用の平面アンテナを有するアンテナ部１５０と比較するために、図５及び図６を用いて比較用のアンテナ部１５０について説明する。

図５は、比較用のアンテナ部１５０を示す斜視図である。図６は、比較用のアンテナ部１５０を示す三面図である。図５及び図６では、図３及び図４と同様に、直交座標系であるＸＹＺ座標系を定義する。

比較用のアンテナ部１５０は、実施の形態１のアンテナ部１００と同様に、磁気結合型のアンテナ部であり、磁性体１１０と平面アンテナ１５１とを含む。磁性体１１０は、実施の形態１のアンテナ部１００の磁性体１１０と同様である。

平面アンテナ１５１は、磁性体１１０のＺ軸正方向側の面の外周に沿って、銅線を矩形状に巻いたものである。平面アンテナ１５１の巻数は、一例として２巻である。平面アンテナ１５１の両端１５１Ａ、１５１Ｂは、アンテナ部１５０を用いて通信を行う装置の通信部に接続される。

次に、図７及び図８を用いて、実施の形態１のアンテナ部１００と、比較用のアンテナ部１５０について、電磁界シミュレーションを行った結果について説明する。

図７は、実施の形態１のアンテナ部１００と比較用のアンテナ部１５０の周囲における磁束密度Ｂのシミュレーション結果を示す図である。図７（Ａ）はアンテナ部１００の磁束密度Ｂを示し、図７（Ｂ）はアンテナ部１５０の磁束密度Ｂを示す。

図７（Ａ）、（Ｂ）において、矢印の向きは磁束密度Ｂの向き（ベクトルの向き）を表している。

また、電磁界シミュレーションでは、図７（Ａ）、（Ｂ）の下側に示すようなアンテナ部１００と１５０のモデルを用いた。アンテナ部１００では、ＸＹＺ座標系の原点は、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面上（Ｚ＝０）で、磁性体１１０の短手方向における中心（Ｘ＝０）にあり、かつ、磁性体１１０のＹ軸正方向側の端部と、コイル１２０のＹ軸正方向側の端部との中点とした。

また、アンテナ部１５０は、磁性体１１０のＺ軸正方向側の面のうちのＹ軸正方向側の半分の面に、矩形状の平面アンテナ１５１を配設し、平面アンテナ１５１のループの中心をＸＹＺ座標系の原点とした。図７（Ａ）と（Ｂ）における原点の位置は同一である。

図７（Ａ）、（Ｂ）を比較すると、比較用のアンテナ部１５０による磁束密度はＺ軸方向でＺ軸のまわりに集中しているのに対して、実施の形態１のアンテナ部１００による磁束密度は、ＹＺ平面において全体的に、より広い領域に分布していることが分かる。

また、Ｚ軸方向で原点から離れた位置における磁場の強さは、実施の形態１のアンテナ部１００と比較用のアンテナ部１５０とでほぼ同等であることが分かる。

比較用のアンテナ部１５０による磁束密度Ｂは、平面コイル１５１からＺ軸正方向に発生し、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向に向きを変えてから、Ｚ軸負方向側から平面コイル１５１に戻るように分布している。

実施の形態１のアンテナ部１００による磁束密度Ｂは、コイル１２０からＹ軸正方向に発生し、Ｚ軸正方向及びＺ軸負方向に向きを変えてから、Ｙ軸負方向側から再びコイル１２０に戻るように分布している。

また、Ｙ軸方向において原点から離れた位置では、比較用のアンテナ部１５０よりも、実施の形態１のアンテナ部１００の方が、磁束ループがＺ方向に大きく、磁場の強さも大きくなっているなっていることが分かる。

図８は、実施の形態１のアンテナ部１００と比較用のアンテナ部１５０の周囲における磁界Ｈのシミュレーション結果を示す図である。図８（Ａ）はアンテナ部１００の磁界Ｈを示し、図８（Ｂ）はアンテナ部１５０の磁界Ｈを示す。

図８（Ａ）、（Ｂ）に示す磁界Ｈを求めるにあたっては、図７（Ａ）、（Ｂ）と同様のアンテナ部１００、１５０のモデルを用いており、ＸＹＺ座標系の原点の位置も、図７（Ａ）、（Ｂ）と同一である。

図８（Ａ）、（Ｂ）では、グラデーションが濃い部分ほど、磁界Ｈが高いことを表す。

図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、比較用のアンテナ部１５０が形成する磁界Ｈ（図８（Ｂ））よりも、実施の形態１のアンテナ部１００が形成する磁界Ｈ（図８（Ａ））の方が、全体的に値が高く、かつ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向において原点から離れた位置においても、高い磁界Ｈが得られていることが分かる。

以上のように、図７及び図８に示す電磁界シミュレーションの結果から、実施の形態１のアンテナ部１００と比較用のアンテナ部１５０では、磁束密度Ｂの分布が全く異なることが分かった。

また、比較用のアンテナ部１５０よりも、実施の形態１のアンテナ部１００の方が、磁界Ｈがより広い範囲で高く、Ｚ軸方向及びＹ軸方向において原点から離れた位置においても、より高い値が得られていることが分かった。

比較用のアンテナ部１５０の平面アンテナ１５１に電流を流すと、アンペールの右ねじの法則により、Ｚ軸方向の磁界Ｈが発生する。

磁界Ｈと磁束の向きは等しいため、比較用のアンテナ部１５０の平面コイル１５１による磁束は、磁性体１１０からＺ軸方向に放射され、図７（Ｂ）に示すように、原点を中心として８の字を横に倒したような分布を形成する。

これに対して、実施の形態１のアンテナ部１００では、磁性体１１０の周囲にループ状に巻回されたコイル１２０が形成する磁界Ｈは、アンペールの右ねじの法則によってＹ軸方向の向きを有する。

このため、実施の形態１のアンテナ部１００では、コイル１２０による磁束は、磁性体１１０の内部をＹ軸方向に伝搬する。

このように、コイル１２０による磁束はＹ軸方向の向きを有するが、全体的に見ると、図７（Ａ）に示すように、実施の形態１のアンテナ部１００は、Ｚ軸方向において分布していることが分かる。また、コイル１２０が発生する磁界Ｈは、図８（Ａ）に示すように、Ｚ軸方向にも拡がっていることが分かる。

ここで、磁性体１１０の内部は、磁性体１１０の外部（大気）よりも磁気抵抗が大きいため、アンテナ部１００が発生するＹ軸方向の向きを有する磁束は、磁気抵抗がより小さい空間（磁性体１１０の外側）に伝搬するようになる。

このため、実施の形態１のアンテナ部１００では、コイル１２０によって磁性体１１０の内部で発生されたＹ軸方向の向きを有する磁束は、磁性体１１０の外部に拡がり、Ｚ軸方向にも拡がったものと考えられる（図７（Ａ）参照）。

また、磁性体１１０は、Ｚ軸方向の長さとＹ軸方向の長さに比べて、Ｚ軸方向の長さを非常に短くしている。すなわち、磁性体１１０は、非常に薄い板状の部材である。これは、磁性体１１０のＸＺ平面に平行な断面が、非常に小さく、かつＺ軸方向に薄いことを表している。

一般に、磁性体は断面が小さいほど磁気抵抗が大きくなる。このため、磁性体１１０は、磁気抵抗が非常に大きい。

従って、実施の形態１のアンテナ部１００のコイル１２０に電流を流すと、磁性体１１０内で発生するＹ軸方向の磁束は、磁性体１１０からＺ軸方向に出やすい状態になる。

このため、アンテナ部１００において、Ｚ軸方向（磁性体１１０の厚さ方向）の通信距離を稼ぐためには、磁性体１１０の厚さを薄くすることが効果的である。

次に、図９及び図１０を用いて、実施の形態１のアンテナ装置１０の結合係数のシミュレーション結果の説明を通じて、実施の形態１のアンテナ装置１０の原理について説明する。なお、ここでは、比較用のアンテナ装置５０と比較しながら説明を行う。

図９は、実施の形態１のアンテナ装置１０と比較用のアンテナ装置５０のシミュレーション用のモデルを示す図である。図９（Ａ）は、実施の形態１のアンテナ装置１０のシミュレーション用のモデルを示し、図９（Ｂ）は、比較用のアンテナ装置５０のシミュレーション用のモデルを示す。

なお、比較用のアンテナ装置５０は、図５及び図６に示すアンテナ部１５０に、金属板１３０を追加したものである。

図９（Ａ）では、図１及び図２と同様のＸＹＺ座標系を用いる。図９（Ａ）におけるＸＹＺ座標系の原点は、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面上で、ＸＹ平面視でアンテナ装置１０の磁性体１１０、コイル１２０、及び金属板１３０の中心に位置させた。

また、図９（Ａ）に示すように、アンテナ装置１０の上方のＺ＝５０ｍｍの位置には、ループアンテナ１６０のループの一部がＸ軸方向に延伸するように配置した。

図９（Ｂ）では、図９（Ａ）と同様にＸＹＺ座標系の原点を位置させた。すなわち、図９（Ｂ）におけるＸＹＺ座標系の原点は、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面上で、ＸＹ平面視でアンテナ装置５０の磁性体１１０、平面コイル１５１、及び金属板１３０の中心に位置させた。

また、図９（Ｂ）では、ループアンテナ１６０は、アンテナ装置５０の上方のＺ＝５０ｍｍの位置で、ループの中心がＺ軸上に位置するように配置した。

このように、実施の形態１のアンテナ装置１０と、比較用のアンテナ装置５０とでループコイル１６０の配置が異なるのは、それぞれのアンテナ装置１０、５０の通信相手として最適な場所を選んだからである。

図１０は、図９に示すモデルをＹ軸正方向側から見た場合のＸＺ平面と平行な側面を示す図である。図１０（Ａ）は、図９（Ａ）に示す実施の形態１のアンテナ装置１０のモデルを示し、図１０（Ｂ）は、図９（Ｂ）に示す比較用のアンテナ装置５０のシミュレーション用のモデルを示す。

なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）では、見易さを優先して模式的に示すため、Ｚ軸方向の位置関係は正確な位置関係ではない。

コイル１２０は、実際には螺旋状に巻回されているが（図１、図２参照）、図１０（Ａ）ではコイル１２０に流れる電流のループを示すために、コイル１２０をループとして示す。

また、平面アンテナ１５１は、ＸＹ平面内にループを有するため、図１０（Ｂ）に示すＸＺ平面と平行な側面では、Ｘ軸方向の線状のアンテナとなる。

また、図１０（Ａ）では、渦電流（鏡像電流）の影響を説明するため、金属板１３０の上方に位置するコイル１２０とループコイル１６０に流れる電流の鏡像電流が流れるコイル１２０Ｍとループコイル１６０Ｍを金属板１３０の下側に破線で示す。

同様に、図１０（Ｂ）には、鏡像電流が流れる平面コイル１５１Ｍとループコイル１６０Ｍを示す。

図１０（Ａ）では、コイル１２０に反時計回りの方向に電流を流すと、コイル１２０のうち金属板１３０に最も近い部分には、Ｘ軸負方向向きの電流が流れることになる。また、これに対してコイル１２０Ｍに生じる鏡像電流は逆方向に流れるため、コイル１２０Ｍのうち最も金属板１３０に最も近い部分には、Ｘ軸正方向向きの電流が流れることになる。

このため、コイル１２０に反時計回りの方向に電流を流すと、コイル１２０Ｍにも反時計回りの方向の鏡像電流が生じる。

図１０（Ａ）では、コイル１２０にＺ軸正方向に流れる電流と、コイル１２０ＭにＺ軸正方向に流れる鏡像電流とが、Ｘ座標及びＺ座標が等しい位置において流れるため、これらの電流によって発生する磁界Ｈと磁束Ｂが強め合う関係になる。

以上より、実施の形態１のアンテナ装置１０では、コイル１２０に流れる電流と、コイル１２０Ｍに流れる鏡像電流とによって発生する磁界Ｈと磁束密度Ｂが強め合う関係になる。

これは、換言すれば、次の通りである。コイル１２０は、金属板１３０に平行な方向に螺旋状に巻回されているため、コイル１２０に反時計回りに電流を流すことによってコイル１２０が発生する磁界Ｈは、金属板１３０と平行でＹ軸正方向の方向を有する。

また、コイル１２０Ｍに生じる鏡像電流も、反時計回りに流れるため、コイル１２０Ｍが発生する磁界Ｈは、金属板１３０と平行でＹ軸正方向の方向を有し、これは、コイル１２０が発生する磁界Ｈと同一方向である。

このため、実施の形態１のアンテナ装置１０では、コイル１２０に流れる電流と、コイル１２０Ｍに流れる鏡像電流とによって発生する磁界Ｈと磁束密度Ｂが強め合う関係になる。

この結果、Ｚ軸方向における磁界Ｈと磁束密度Ｂは、金属板１３０を用いることによって、金属板１３０を用いずにコイル１２０を単独で用いる場合よりも増大することになる。

一方、図１０（Ｂ）に示すように、平面コイル１５１にＸ軸正方向向きの電流を流すと、平面コイル１５１Ｍには、Ｘ軸負方向向きの鏡像電流が流れる。

このため、平面コイル１５１に流れるＸ軸正方向向きの電流と、平面コイル１５１Ｍに流れるＸ軸負方向向きの鏡像電流とが発生する磁界Ｈは打ち消し合う関係になる。これは、ＸＹ平面で平面コイル１５１の全体について考えても同様である。

従って、比較用のアンテナ装置５０では、平面コイル１５１に流れるＸ軸正方向向きの電流と、平面コイル１５１Ｍに流れるＸ軸負方向向きの鏡像電流とが発生する磁界Ｈは打ち消し合い、Ｚ軸方向の磁界Ｈは減衰する。

これは、換言すれば、平面コイル１５１が発生する磁界は、金属板１３０に対して垂直な向きを有しており、平面コイル１５１Ｍに流れる鏡像電流によって生じる磁界とは、逆方向の向きとなるため、互いに打ち消し合う関係になるからである。

このようなモデルを用いたシミュレーションによって算出した結合係数ｋは、実施の形態１のアンテナ装置１０でｋ＝０．００９２５６８、比較用のアンテナ装置５０でｋ＝０．００３４４８７であった。

以上より、実施の形態１によれば、金属板１３０を用いてコイル１２０に流れる鏡像電流を利用することにより、Ｚ軸方向の磁界Ｈ及び磁束密度が増大し、通信距離をより長くすることができる。

また、アンテナ装置１０は、磁気結合による近距離通信を行う端末装置に内蔵され、端末装置の内部にある通信回路に接続されて用いられる。アンテナ装置１０は、端末装置の内部で、ＰＣＢ（Printed Circuit Board：プリント基板）に実装されることもある。そして、ＰＣＢの配線には様々な信号が流れるため、ノイズが発生する場合がある。

このような場合でも、アンテナ装置１０は金属板１３０を有するため、コイル１２０の下側に配設される金属板１３０を位置させた状態でＰＣＢにアンテナ装置１０を搭載すれば、ＰＣＢが発生するノイズを金属板１３０で遮蔽し、コイル１２０に流れる電流にノイズが乗ることを抑制することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、薄板状の磁性体１１０の厚さ方向における通信距離が長く、磁気結合による近距離通信を行う端末装置に内蔵しても、通信距離が低下しない、アンテナ装置１０を提供することができる。

すなわち、実施の形態１によれば、磁性体１１０の厚さ方向における通信距離が長いアンテナ装置１０を提供することができる。

アンテナ部１００は、薄板状の直方体に成形された磁性体１１０の長手方向の中央部において、磁性体１１０の短手方向にコイル１２０を巻回し、さらに、コイル１２０を金属板１３０の上に配置することにより、磁性体１１０の厚さ方向における通信距離を長くしたものである。

図７及び図８を用いて説明したように、実施の形態１のアンテナ装置１０に含まれるアンテナ部１００は、上述のような構成の磁性体１１０とコイル１２０を含むことにより、コイル１２０が発生する磁束の殆どが磁性体１１０の内部でＹ軸正方向に向いている。

そして、コイル１２０からＹ軸正方向に向けて放射される磁束は、Ｚ軸正方向に向かい、ループを描き、Ｙ軸負方向側からコイル１２０に戻る。

アンテナ部１００は、このような分布の磁束を発生するため、アンテナ部１００に金属板１３０を追加して得るアンテナ装置１０では、鏡像電流によって生じる磁束もコイル１２０ＭからＹ軸正方向に向かう方向を有し、コイル１２０ＭからＺ軸方向に向かい、ループを描いてＹ軸負方向側からコイル１２０Ｍに戻る。

このため、実施の形態１のアンテナ装置１０では、コイル１２０に流れる電流と、コイル１２０Ｍに流れる鏡像電流とによって発生する磁界Ｈと磁束密度Ｂが強め合う関係になり、Ｚ軸方向の通信距離が長くなる。

また、アンテナ装置１０は、Ｚ軸方向における通信距離だけでなく、磁性体１１０の長手方向（Ｙ軸方向）における磁束密度Ｂ及び磁界Ｈがアンテナ装置５０よりも大きくなっているため、磁性体１１０の長手方向（Ｙ軸方向）における通信距離も長くなっている。

また、ここでは、アンテナ装置１０と５０のＸ軸方向における通信距離の比較は行っていないが、アンテナ装置１０ではＹ軸方向及びＺ軸方向の磁束密度Ｂ及び磁界Ｈが増大していることから、磁性体１１０のＸ軸方向における磁束密度Ｂ及び磁界Ｈも、アンテナ装置５０よりも増大しているものと考えられる。

以上より、実施の形態１によれば、磁気結合型による近距離通信方式において、平面コイル１５１を用いた比較用のアンテナ装置５０よりも、通信距離を長くしたアンテナ装置１０を提供することができる。

このようなアンテナ装置１０を、例えば、磁気結合による近距離通信を行う端末装置に内蔵すれば、通信相手となる装置との間の通信距離が長くなり、より確実に通信を行うことができる。

また、ＰＣＢ基板上に設置する場合には、基板の形状・空きスペースを有効に活用することができる。 たとえばSIMカードに内蔵する場合は、ＰＣＢ基板コーナー部に配置することで、他の回路素子等のレイアウトに自由度が生じることになる。

さらに、接続部があることで磁性体の透磁率の低下を防止する効果もある。たとえば、２つの板状磁性体を空気や磁性体以外の材料を介して配置した場合にくらべて、より通信距離が長くすることが可能となる。また、接続部の形状を変えることで、ｘ、ｙ軸方向から少しずれた方向の磁界を強める調整も可能となる。

上記のように、アンテナ装置１０を含む端末装置の使い勝手が改善され、通信の信頼性を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２のアンテナ部２００は、実施の形態１のアンテナ部１００を変形したものである。実施の形態２のアンテナ部２００は、実施の形態１のアンテナ部１００と同様に、アンテナ装置１０（図１参照）に含まれるものである。すなわち、実施の形態２のアンテナ部２００に、金属板１３０を加えたものが実施の形態２のアンテナ装置になる。

以下では、実施の形態２のアンテナ部２００の構成について説明する。

図１１は、実施の形態２のアンテナ部２００を示す斜視図である。図１２は、実施の形態２のアンテナ部２００を示す三面図である。図１１及び図１２では、直交座標系であるＸＹＺ座標系を定義する。

実施の形態２のアンテナ部２００は、実施の形態１のアンテナ部１００のコイル１２０の巻数を少なくすることにより、磁性体１１０に巻回されるコイル１２０同士が、互いに触れ合わないようにしたものである。

アンテナ部２００は、磁気結合型のアンテナ部であり、磁性体１１０とコイル２２０とを含む。磁性体１１０は、実施の形態１のアンテナ部１００の磁性体１１０と同様であり、コイル２２０は、実施の形態１のアンテナ部１００のコイル１２０の巻数を少なくすることにより、磁性体１１０に巻回されるコイル１２０同士が、互いに触れ合わないようにしたものである。

その他の構成は、実施の形態１のアンテナ部１００と同様であるため、ここでは重複説明を省略する。

コイル２２０は、磁性体１１０の長手方向（Ｙ軸方向）における中央部において、磁性体１１０の短手方向（Ｘ軸方向）に巻回される。このため、磁性体１１０の周囲にコイル２２０が巻回されている部分のＹ軸方向における中心位置と、磁性体１１０のＹ軸負方向側の端部との間の長さＤは、長さＢが１４ｍｍの場合は７ｍｍであり、長さＢが２４ｍｍの場合は１２ｍｍである。

コイル２２０の両端２２１、２２２は、アンテナ部２００を用いて通信を行う装置の通信部に接続される。

コイル２２０としては、例えば、銅線を用いることができる。コイル２２０の太さ（線径）は、例えば、５０μｍであればよい。コイル２２０の巻数は、例えば、８回程度であり、磁性体１１０の周囲に巻回されているコイル２２０同士が接しないように巻回される。ここでは、このようなコイル２２０の巻き方を疎巻きと称す。

次に、図１３及び図１４を用いて、実施の形態２のアンテナ部１００（疎巻き）と、実施の形態１のアンテナ部１００（密巻き）について、電磁界シミュレーションを行った結果について説明する。

図１３は、実施の形態１のアンテナ部１００の周囲における磁束密度Ｂと磁界Ｈのシミュレーション結果を示す図である。図１３（Ａ）はアンテナ部１００の磁束密度Ｂを示し、図１３（Ｂ）はアンテナ部１００の磁界Ｈを示す。

図１４は、実施の形態２のアンテナ部２００の周囲における磁束密度Ｂと磁界Ｈのシミュレーション結果を示す図である。図１４（Ａ）はアンテナ部２００の磁束密度Ｂを示し、図１４（Ｂ）はアンテナ部２００の磁界Ｈを示す。

図１３（Ａ）及び図１４（Ａ）において、矢印の向きは磁束密度Ｂの向き（ベクトルの向き）を表している。
また、図１３（Ｂ）及び図１４（Ｂ）では、グラデーションが濃い部分ほど、磁界Ｈが高いことを表す。

また、ここでは、アンテナ部１００と２００におけるＸＹＺ座標系の原点は、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面上（Ｚ＝０）で、磁性体１１０の短手方向における中心（Ｘ＝０）にあり、かつ、磁性体１１０のＹ軸正方向の中心にある点とした。

また、磁束密度Ｂ及び磁界Ｈの値は、アンテナ部１００及び２００の上方（Ｚ＝５０ｍｍの位置）に、ループアンテナ１６０を配置するという条件下で求めた。

図１３（Ａ）と図１４（Ａ）を比較して分かるように、実施の形態１のアンテナ部１００よりも、実施の形態２のアンテナ部２００の方が、原点の近傍における磁束密度Ｂの曲率が小さいため、磁束密度Ｂの向きの変わり方が、全体的により緩やかであることが分かる。

なお、Ｙ軸方向において原点から離れた位置における磁束密度Ｂは、実施の形態１のアンテナ部１００と実施の形態２のアンテナ部２００とでほぼ同等であった。

また、磁界Ｈについては、図１３（Ｂ）と図１４（Ｂ）を比較して分かるように、実施の形態１のアンテナ部１００よりも、実施の形態２のアンテナ部２００の方が、原点の近傍における磁界Ｈの等磁線の曲率が小さく、磁界Ｈの分布が、全体的により緩やかであり、より磁束分布を広げることができる。

なお、Ｙ軸方向において原点から離れた位置における磁界Ｈは、実施の形態１のアンテナ部１００と実施の形態２のアンテナ部２００とでほぼ同等であった。

以上より、実施の形態２のアンテナ部２００（疎巻き）は、実施の形態１のアンテナ部１００（密巻き）よりも、磁束密度Ｂ及び磁界Ｈの分布が全体的に緩やかであり、より効率よく、磁界Ｈを発生することになり、より磁束分布が広がることが分かった。

なお、このような結果は、実施の形態１における条件設定の下で作製したアンテナ部１００（密巻き）と、実施の形態２における条件設定の下で作製したアンテナ部２００（疎巻き）との比較によるものである。

従って、アンテナ部１００、２００の用途等に応じて、コイル１２０、２２０の巻数を最適化すればよい。

ここで、コイル１２０、２００の巻き方による通信距離への影響を調べるために、図１５に示すアンテナ部１００、２００、２００Ａについて通信距離を求めた。

図１５は、実施の形態１のアンテナ部１００と、実施の形態２のアンテナ部２００及び２００Ａを示す斜視図である。

図１５に示すアンテナ部１００は、図３に示すアンテナ部１００と同一であり、図１５に示すアンテナ部２００は、図１１に示すアンテナ部２００と同一である。

図１５に示すアンテナ部２００Ａは、図１１に示すアンテナ部２００のコイル２２０の巻数（２０巻）を変えずに、磁性体１１０に巻回されるコイル２２０の間の間隔をより広くするために、コイル２２０をＹ軸方向において、より広い範囲に巻回したものである。ここでは、アンテナ部２００Ａにおけるコイル２２０の巻き方を大疎巻きと称す。

ここで、アンテナ部１００では、コイル１２０はＬ／Ｓ（Line/Space比）＝５０／１９μｍである。すなわち、直径５０μｍの導線にエナメルコートを施した太さ６９μｍのコイル１２０を密巻きしたものである。

また、アンテナ部２００では、コイル２２０はＬ／Ｓ＝５０／３００μｍである。すなわち、コイル２２０に含まれる直径５０μｍの導線の間隔を３００μｍに設定してコイル２２０を疎巻きしたものである。

また、アンテナ部２００Ａでは、コイル２２０はＬ／Ｓ＝５０／６００μｍである。すなわち、コイル２２０に含まれる直径５０μｍの導線の間隔を６００μｍに設定してコイル２２０を疎巻きしたものである。

アンテナ部１００、２００、２００ＡのＺ軸方向の通信距離を実測したところ、アンテナ部１００は２７．５ｍｍ、アンテナ部２００は３０．０ｍｍ、アンテナ部２００Ａは３１．０ｍｍであった。

このことから、コイル１２０、２２０の巻き方を密又は疎にすることによって、通信距離を調整できることが分かる。

実施の形態２のアンテナ装置は、上述のようなアンテナ部２００、２００Ａを金属板１３０の上に配置したものである。このような構成は、実施の形態１のアンテナ装置１０（図１及び図２参照）と同様である。

このため、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、磁性体１１０の厚さ方向における通信距離が長いアンテナ装置を提供することができる。

また、アンテナ部２００（疎巻き）、及びアンテナ部２００Ａ（大疎巻き）の結合係数について考察した。

図１６は、アンテナ部１００（密巻き）、アンテナ部２００（疎巻き）、及びアンテナ部２００Ａ（大疎巻き）の結合係数を示す図である。

図１６に示すように、アンテナ部１００（密巻き）、アンテナ部２００（疎巻き）、及びアンテナ部２００Ａ（大疎巻き）の結合係数ｋは、大疎巻きが最も大きく、疎巻き、密巻きの順に小さくなった。

この結果より、アンテナ部１００のようにコイル１２０を密巻きにするよりも、アンテナ部２２０、２２０Ａのようにコイル２２０を疎巻き又は大疎巻きにした方が、結合係数が大きくなり、通信距離が長くなるものと考えられる。

以上より、用途等に応じて、コイル１２０、２２０の巻き方を設定すればよいが、磁性体１１０の大きさに余裕がある場合は、疎巻き又は大疎巻きすることが望ましいものと考えられる。

また、コイル２２０の巻き方を疎巻きにする場合には、図１７乃至図１９に示すように巻き方を変えてもよい。

図１７乃至１７は、実施の形態２の変形例のアンテナ部２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄを示す図である。

図１７に示すアンテナ部２００Ｂは、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面側ではコイル２２０ＢをＸ軸に平行に巻き、磁性体１１０のＺ軸負方向側の表面側ではコイル２２０ＢをＸ軸に対して角度を有するように巻いたものである。

例えば、コイル２２０Ｂの両端２２１Ｂ、２２２Ｂの間の長さは５０ｍｍであり、コイル２２０Ｂ同士の間隔を０．４ｍｍ〜０．５ｍｍに設定して２０回巻回した（２０巻）ものである。

図１８に示すアンテナ部２００Ｃは、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面側とＺ軸負方向側の表面側とにおいて、コイル２２０ＣをＸ軸に対して角度を有するように巻いたものである。磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面側とＺ軸負方向側の表面側とにおいてコイル２２０ＣがＸ軸となす角度は等しい。

このため、磁性体１１０のＺ軸正方向側の表面側と、Ｚ軸負方向側の表面側とにおいて、それぞれ、コイル２２０Ｃは平行に配列される。

例えば、コイル２２０Ｃの両端２２１Ｃ、２２２Ｃの間の長さは５０ｍｍであり、コイル２２０Ｃ同士の間隔を１．５ｍｍに設定して２０回巻回した（２０巻）ものである。

図１９に示すアンテナ部２００Ｄは、図１８に示す磁性体１１０Ａよりも平面視で細長い（Ｘ軸方向の長さが短い）磁性体１１０Ａに、図１８のコイル２２０Ｃと同様の巻き方で、コイル２２０Ｄを巻回したものである。

磁性体１１０ＡのＺ軸正方向側の表面側とＺ軸負方向側の表面側とにおいて、コイル２２０ＤはＸ軸に対して角度を有するように巻いてある。磁性体１１０ＡのＺ軸正方向側の表面側とＺ軸負方向側の表面側とにおいてコイル２２０ＤがＸ軸となす角度は等しい。

このため、磁性体１１０ＡのＺ軸正方向側の表面側と、Ｚ軸負方向側の表面側とにおいて、それぞれ、コイル２２０Ｄは平行に配列される。

例えば、コイル２２０Ｄの両端２２１Ｄ、２２２Ｄの間の長さは５０ｍｍであり、コイル２２０Ｄ同士の間隔は、０．７ｍｍ〜１．１ｍｍに設定して２０回巻回した（２０巻）ものである。

以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１０ アンテナ装置
１００、１００Ａ、２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ アンテナ部
１１０、１１０Ａ 磁性体
１２０、２２０、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄ コイル
１３０ 金属板

特開２０１０−０５６９８２号公報 特開２００６−０５０５２２号公報

Claims (3)

1. 磁気結合型のアンテナ装置であって、
   金属板と、
   前記金属板の一方の面側に配設される板状の磁性体と、
   前記磁性体に巻回されるコイル状のアンテナと
   を含む、アンテナ装置。
2. 前記アンテナは、前記磁性体の短手方向にループを形成するように、前記磁性体に巻回される、請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナは、隣接するループ同士の間に間隔を有する状態で、前記磁性体に巻回される、請求項１又は２記載のアンテナ装置。