JP2014207542A - アンテナ、アンテナ装置および通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属体が近くに配置されなくても、アンテナが金属体内に配置されたとしても、容易に良好な通信を行うことができるアンテナ、アンテナ装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】面を備えるコア１１と、面のうち、コイルが巻回されたコイル巻回部（領域Ｂ）と、面のうち、コイルが巻回されていない複数のコイル非巻回部（領域Ａ、Ｃ）と、を備え、コイル巻回部は、面上のコイルの軸方向において複数のコイル非巻回部に挟まれ、面は、コイルの軸方向における幅が、コイルの巻回方向の幅以上であることを特徴とするアンテナ。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＲＦ−ＩＤやＮＦＣなどのＩＣカードやＩＣタグなどの無線通信媒体との通信を行うアンテナ、アンテナ装置および通信装置に関するものである。

従来、アンテナが金属筐体内に搭載されると、アンテナの発生させる磁束を金属体が打ち消してしまうため、金属体の外側にアンテナが発生させる磁界が及ばず、アンテナの通信特性を維持することが困難であった。

そこで、金属体に貫通口と、金属体端部と貫通口とを接続するスロットと、を設け、貫通口の周りに金属体と重なるように配置されたループアンテナを配置させる技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。これにより、むしろ金属体を利用して通信を行うことができる。

特許第５１７７３１４号公報

しかしながら、（特許文献１）に記載の技術では、アンテナの開口面積程度の貫通口を金属体に開けなくてはならず、アンテナの開口面積は大きいほど通信特性が向上することと相反するため、貫通口を小さくすることが困難であった。更に、金属体端部と貫通孔とを接続するスロットが必ず必要であり、スロットによりアンテナの配置の自由度が制限されていた。更に、金属体を利用しなくては、アンテナ単体では良好な通信特性を得ることができない。

そこで本発明は、金属体が近くに配置されなくても良好な通信特性を有し、更にアンテナが金属体内に配置されたとしても、シンプルなスロットのみを金属体に設けるだけで、金属体の外側と容易に良好な通信を行うことができるアンテナ、アンテナ装置及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、面を備えるコアと、前記面のうち、コイルが巻回されたコイル巻回部と、前記面のうち、前記コイルが巻回されていない複数のコイル非巻回部と、を備え、前記コイル巻回部は、前記面上の第１の方向において前記複数のコイル非巻回部に挟まれ、前記面は、前記第１の方向における幅が、前記第１の方向と垂直な第２の方向の幅以上であることを特徴とするアンテナとした。

本発明によれば、金属体が近くに配置されなくても良好な通信特性を有し、更にアンテナが金属体内に配置されたとしても、シンプルなスロットのみを金属体に設けるだけで、金属体の外側と容易に良好な通信を行うことができる。

本実施の形態におけるアンテナが搭載された携帯端末の分解斜視図 本実施の形態におけるアンテナの斜視図 本実施の形態におけるアンテナの分解斜視図 本実施の形態におけるコアの斜視図 本実施の形態におけるアンテナが搭載された携帯端末の分解斜視図 本実施の形態におけるアンテナが搭載された携帯端末の分解斜視図 従来のアンテナの一例を示す図 本実施の形態におけるアンテナが発生させる磁界を示す図 図７のアンテナが発生させる磁界を示す図 本実施の形態におけるアンテナが発生させる磁界を示す図 図７のアンテナが発生させる磁界を示す図 本実施の形態におけるアンテナ及び図７のアンテナにおいてアンテナ同士が平行に対向している場合の通信可能距離を示す図 本実施の形態におけるアンテナ及び図７のアンテナにおいてアンテナ同士が４５度の角度で対向している場合の通信可能距離を示す図 本実施の形態におけるアンテナのコアのサイズとアンテナの誘起電圧との関係を示す図 電子機器内における本実施の形態のアンテナ及び従来のアンテナと他の周波数帯のアンテナとの配置を示す図 本実施のアンテナの斜視図 本実施のアンテナの斜視図 本実施の形態におけるアンテナが搭載された金属体を含む携帯端末の分解斜視図 本実施の形態におけるアンテナが搭載された金属体を含む携帯端末の分解斜視図 本実施の形態における背面カバーとスロットとアンテナの関係を示す図 本実施の形態におけるアンテナの発生させる磁束と背面カバーとスロットの関係を示す図 本実施の形態における背面カバー（金属体）に流れる電流を示す図 本実施の形態におけるインダクタンス調整機構を備えるアンテナの上面図 本実施の形態におけるアンテナのインダクタンスを決定するパラメータを説明する図 本実施の形態におけるアンテナをインダクタンス調整機構によってインダクタンスを変化させた様子を示す図

本発明は面を備えるコアと、前記面のうち、コイルが巻回されたコイル巻回部と、前記面のうち、前記コイルが巻回されていない複数のコイル非巻回部と、を備え、前記コイル巻回部は、前記面上の第１の方向において前記複数のコイル非巻回部に挟まれ、前記面は、前記第１の方向における幅が、前記第１の方向と垂直な第２の方向の幅以上であることを特徴とするアンテナであって、金属体が近くに配置されなくても良好な通信特性を有し、更にアンテナが金属体内に配置されたとしても、シンプルなスロットのみを金属体に設けるだけで、金属体の外側と容易に良好な通信を行うことができる。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態におけるアンテナが搭載された携帯端末の分解斜視図である。携帯端末１は、表示パネル２、背面カバー３、表示パネル２と背面カバー３との間に収められるバッテリー４、カメラ５、電子回路基板６、などにより構成されている。図１のように表示パネル２がタッチパネル方式で、操作用のボタンがない場合もあるが、表示パネル２はタッチパネル方式である場合とそうでない場合とがあり、別途操作用のボタンを備えても良い。表示パネル２は液晶パネルで、パネルカバー２ａを備える。背面カバー３には、本発明の一実施の形態であるアンテナ８が粘着テープによる貼り付けやビスによる固定などにより搭載されている。このとき、背面カバー３は樹脂などの非金属体の場合と金属体の場合がある。図１の背面カバー３は、樹脂である。なお、図１では、アンテナ８はカメラ５と重ならないように配置される。アンテナ８はバッテリー４と重なるように配置されてもいいが、より薄い電子回路基板６と重なるように配置したほうが、携帯端末１全体を薄型化することができる。なお、本実施の形態ではアンテナ８を背面カバー３の平坦な部分に配置しているが、背面カバー３の曲面に沿って配置することも可能である。また、図１のように背面カバー３の長手方向と、アンテナ８のコイルの軸方向（長手方向）が略同一方向であることが好ましい。これにより、アンテナ８の通信方向がユーザーにとって利便性の良い方向となる。

アンテナ８の電子回路基板６との対向面には、電子回路基板６との接続を行うことによりアンテナ装置を形成するための外部接続端子８ａおよび８ｂが設けられている。電子回路基板６とアンテナ８との接続は、ピンによる接触やコネクタ接続、導線のはんだ付けなどが考えられる。本実施の形態においては、電子回路基板６にアンテナ入出力用ピン７ａ、７ｂを備えている。一般的に知られているように、アンテナ入出力用ピン７ａおよび７ｂは、整合回路および制御ＩＣなどが配置された電子回路基板６上のアンテナ制御部９に接続されるものとする。そして、このアンテナ入出力用ピン７ａ、７ｂが、アンテナ８に設けられた外部接続端子８ａおよび８ｂを両端部とするコイル部と接続されることにより、アンテナ装置が形成される。なお、背面カバー３と表示パネル２の間にできる空間には、ＲＦ−ＩＤ用ＩＣや整合回路の他、他周波用アンテナ、スピーカー、ＲＦモジュールなどの部品が配置される。

図２は、本実施の形態におけるアンテナの斜視図である。また、図３は、本実施の形態におけるアンテナの分解斜視図である。さらに、図４は、本実施の形態におけるコアの斜視図である。

図２に示すように、本実施の形態のアンテナ８は、面を備えるコア１１と、面のうち、コイルが巻回されたコイル巻回部（領域Ｂ）と、面のうち、コイルが巻回されていない複数のコイル非巻回部（領域Ａ、Ｃ）と、を備え、コイル巻回部は、面上のコイルの軸方向において複数のコイル非巻回部に挟まれ、面は、コイルの軸方向における幅（第１の方向）が、コイルの巻回方向（第２の方向）の幅以上である。更に好ましくは、コア１１は、略長方形の形状をする面を表面または裏面とする板状であり、コイルは、面の短手方向とコイルの軸方向とが交差するように巻回される。更に好ましくは、コイルの軸方向がコア１１の面の長手方向と略同一方向（±１０度以内）であると良い。また、コイルの軸方向において、複数のコイル非巻回部（領域Ａ、Ｃ）の全体長さは、コイル巻回部（領域Ｂ）の長さ以上であるとよい。すなわち、コイルの軸方向において、領域Ａ、Ｃの長さをそれぞれ足した合計の長さが、領域Ｂの長さ以上であり、コア１１の長さは領域Ｂの長さの２倍以上となる。さらに好ましくは、複数のコイル非巻回部（領域Ａ、Ｃ）のそれぞれの長さは、コイル巻回部（領域Ｂ）の長さと略同一である。すなわち、コイルの軸方向において、コア１１の長さは領域Ｂの長さの３倍程度となる。

詳しく説明すると、フェライト、アモルファス、ケイ素鋼、パーマロイ、軟磁性材料等の磁性体により形成されたコア１１と、その周囲を包み込むように配置され、主に樹脂からなる支持体上にアンテナパターンであるコイルパターン（導線）などが形成されたフレキシブル基板１２と、を備える。本実施の形態においては、コア１１はフェライトによって構成され、本実施の形態ではサイズが４０×１０×０．３ｍｍであり、焼成寸法バラツキにより３９．５〜４０．５ｍｍ×９．７〜１０．３ｍｍ×０．２７〜０．３３ｍｍ程度となる可能性がある。コア１１の形状は平行六面体、特に直方体のプレート状といえ、２つの大きな面は長方形が好ましいが正方形でも良い。ここで言うコイルパターンとは、図示しないＩＣカードやＩＣタグなどの無線通信媒体と通信を行うための磁力線を発生させ、矢印Ｓをコイル軸としたコイルパターンが形成されている。コイルパターンは、例えばフレキシブル基板１２が有する、ポリイミドフィルムとカバーレイあるいはレジストという２つの樹脂層の間に形成される銅箔によって形成されるのが通常である。コイル軸Ｓとは、このコイル軸Ｓを略中心にコイルパターンが巻回されているもので、フレキシブル基板１２のコイルパターンとは略垂直である。なお、導線は導体パターンによるものだけに限られず、金属線などをコア１１に巻回しても良いし、導体膜をコア１１に形成してもよく、どのような形態でも良い。外部接続端子８ａ、８ｂは、コア１１の外側に位置する。

また、コア１１の形状は、長手方向が図２のようにコイル軸Ｓと同一方向であり、短手方向コイルパターンの巻回方向と同一方向である。コア１１は、長手方向の幅が短手方向の幅の少なくとも２倍以上、好ましくは３倍以上とすることで、小さなコイルパターンであっても大きなアンテナを形成したような効果を得ることができる。詳細は、後に説明する。

図３に示すように、フレキシブル基板１２は、コア１１を挟んで２つに分割された形となっている。本実施の形態においては便宜上、これら２つに分割されたフレキシブル基板１２のうち、外部接続端子８ａ、８ｂを有する側を下側フレキシブル基板１２ａとし、そうでない側を上側フレキシブル基板１２ｂとする。後により詳しく述べるが、これら下側フレキシブル基板１２ａと上側フレキシブル基板１２ｂとは半田により接合されている。本実施の形態においては、コイル軸Ｓと略平行なフレキシブル基板１２の二辺において接合されている。また、「下側」「上側」は、図３において理解し易くするために便宜上付与しているもので、アンテナ８として機器に搭載する際には上下が逆になっても構わない。

これら下側フレキシブル基板１２ａと上側フレキシブル基板１２ｂとの間にコア１１を固定するために、本実施の形態においては接着層としての両面接着テープ３１、３２が用いられる。すなわち、両面接着テープ３２はコア１１と下側フレキシブル基板１２ａとの間及び、両面接着テープ３１はコア１１と上側フレキシブル基板１２ｂとの間に貼付される。さらに、アンテナ８を図１の背面カバーに貼り付けるための両面接着テープ３３を備える。

また、コア１１はフレキシブル基板１２から必然的にむき出しの部分ができるため、図４に示すようにコア１１全体をしっかりと保護テープ３４、３５で両面から保護している。すなわち、コア１１は破損などにより特性が変化しやすいため、フレキシブル基板１２とは別に保護部材を有している。また、本実施の形態においては、コア１１はフェライト焼成体からなり、柔軟性を有するためにあらかじめ複数の小片に粉砕されている。これら小片をシート状に維持するためにも、保護テープ３４、３５を備えている。また、これにより、アンテナ８は、背面カバー３に貼付される箇所がたとえ曲面を有していても、その曲面に沿って貼付され配置されることが可能となる。また、小片に粉砕することで、それ以上破損することが難しくなり、破損による特性劣化を防ぐことができる。

コア１１のフレキシブル基板１２への固定方法については、本実施の形態に示すように、コア１１の両面への両面接着テープの貼付である必要は、必ずしもない。

再び図３を用いて、本実施の形態の説明を行う。前述したように、フレキシブル基板１２を構成する下側フレキシブル基板１２ａと上側フレキシブル基板１２ｂとは、コイル軸Ｓと略平行なフレキシブル基板１２の二辺において、導線どうしが半田付けにより接合されている。これにより、下側フレキシブル基板１２ａと上側フレキシブル基板１２ｂとでコイルパターンが形成される。

次に、本実施の形態のアンテナ８のひとつの特徴であるコア１１とフレキシブル基板１２とのサイズについて説明する。前述したように、コア１１は長手方向の幅が短手方向の幅の４倍であるほど、長手方向に長く伸びた形状をしている。そして、フレキシブル基板１２はコア１１の長手方向の略中央（図２の領域Ｂ）に位置している。フレキシブル基板１２がコア１１の長手方向の略中央であるときに最も効率よく磁束が発生するが、用途によって別の位置に配置してもよい。コア１１の長手方向の幅に対して、フレキシブル基板１２の同一方向の幅は小さく、好ましくはコア１１の長手方向の幅の半分以下にすると良い。本実施の形態では、コア１１の長手方向におけるフレキシブル基板１２の幅は２０ｍｍである。図２においては、コア１１の長手方向の幅が、領域Ａ：領域Ｂ：領域Ｃ＝１：２：１程度である。それに対して、コア１１の短手方向の幅に対して、フレキシブル基板１２の同一方向の幅は大きく、下側フレキシブル基板１２ａと上側フレキシブル基板１２ｂとが半田などで接合されるために必要な長さだけ大きい。

このような形状とすることで、アンテナ８の小型化と特性の向上とを両立することができる。すなわち、フレキシブル基板１２が設けられている領域Ｂは、設けられていない領域Ａ及び領域Ｃと比較して厚くなる。すなわち、領域Ｂはなるべく小さくすることにより、アンテナ８の薄型化、小型化が達成される。領域Ｂが小さくなることでアンテナ８の特性が劣化する可能性はあるがコア１１のサイズを長くすることにより、領域Ｂを小さくしても十分な性能を得ることができる。さらに、領域Ｂの大きさを一定として巻回数が一定でも、領域Ａ、Ｃの長さを変えることで特性を変化させることができる。すなわち、領域Ａ、Ｃの少なくとも１つを長く設定することによって、特性を向上させることができる。

次に、携帯端末１内におけるアンテナ８の図１とは異なる配置、形状について説明する。図５は、本実施の形態におけるアンテナが搭載された携帯端末の分解斜視図である。図６は、本実施の形態におけるアンテナが搭載された携帯端末の分解斜視図である。ただし、図５、図６のアンテナ８は、基本的に図１のアンテナ８と同様のものであり、特性、効果、に多少の差異があるものの、ほぼ同一である。

図５は、図１と異なりアンテナ８のコア１１の一部（図２の領域Ａまたは領域Ｃに相当する部分）がバッテリー４と重なっている。このように、アンテナ８は背面カバー３のほぼ中央に配置されても、高特性な通信をすることができる。すなわち、アンテナ８の通信特性を鑑みると、背面カバー３のいずれの場所に配置されても問題ない。しかし、端に配置することで、アンテナ８の周囲に位置する筐体内の様々な部品（特に金属を含む部品）が減少し、それらからの影響をアンテナ８が受けにくくなるうえ、後述する図１０のような斜めの通信が良好に行われる。また、コア１１の厚みは均一でなくても良い。バッテリー４と重なる部分を薄くすることも可能であるし、他部品と重なる部分を薄く形成しても良い。筐体内で配置しやすいように、コア１１の厚みを変化させても良い。なお、アンテナ８を中央に配置しても斜めの通信は可能であるが、携帯端末１の形状が斜め方向の通信をしにくいため、端部配置の方が好ましい。また、図６は、コア１１の一部（図２の領域Ａまたは領域Ｃに相当する部分）に貫通孔を備える。その貫通孔は、背面カバー３に設けられる貫通孔と重なっており、その貫通孔にカメラ５が挿入される。すなわち、コア１１は、カメラ５の周りを囲むように配置される。これにより、カメラ（金属体）の悪影響を小さくすることができる。これは、磁束がコア１１を通るため、カメラまで磁束が及びにくくなるためである。

次に、本願発明のアンテナ８が良特性である理由について説明する。説明を分かりやすくするため、図７の従来アンテナと比較して行う。

図７は、従来のアンテナの一例を示す図である。図８は、本実施の形態におけるアンテナが発生させる磁界を示す図である。図９は、図７のアンテナが発生させる磁界を示す図である。図１０は、本実施の形態におけるアンテナが発生させる磁界を示す図である。図１１は、図７のアンテナが発生させる磁界を示す図である。図１２は、本実施の形態におけるアンテナ及び図７のアンテナにおいてアンテナ同士が平行に対向している場合の通信可能距離を示す図である。図１３は、本実施の形態におけるアンテナ及び図７のアンテナにおいてアンテナ同士が４５度の角度で対向している場合の通信可能距離を示す図である。図８〜図１３においては、アンテナ８とアンテナ１０８とは、金属体１０３に載置されており、この金属体１０３は、携帯端末１内の金属体の影響を考慮するためのものである。

図２に示す本願発明のアンテナ８と、図７に示す従来のアンテナ１０８との違いの一つに、領域Ａ、Ｃの大きさの違いがある。図７の従来のアンテナ１０８には領域Ａ及び領域Ｃがほとんど存在しないが、本願発明のアンテナ８には領域Ａ及び領域Ｃが存在し、フレキシブル基板１２からはみ出している。領域Ａ及び領域Ｃはコイルの開口と同様の働きをするので、発生する磁束の入り口と出口となる。すなわち、図８を見ると、磁束は領域Ａを大きな入り口としてコア１１の中に入り、フレキシブル基板１２で挟まれた空間を通り、磁束は領域Ｃを大きな出口としてコア１１の外側に出て行く。

なお、従来のアンテナ１０８においては、コアのサイズ１２ｍｍ×４２ｍｍ×０．３ｍｍに対して、フレキシブル基板の面積が１２．５ｍｍ×４６ｍｍである。対して、本願発明のアンテナ８においては、コア１１のサイズ４０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍに対して、フレキシブル基板１２の面積が２０ｍｍ×１６ｍｍである。このように、コアもフレキシブル基板（すなわちコイルの大きさ）においても、本発明のアンテナ８の方が小さい。すなわち、本願発明の実施例のサイズで従来と同一形態のアンテナを形成すると、本願発明のアンテナ８の方が、通信可能領域の大きさや通信距離などの特性が悪化することは明らかである。

しかしながら、本願発明のアンテナ８が発生させる磁束（通信に利用する磁束）のうち、図８のＺ方向（上下方向）成分の面積が大きくなる。一方、図９の従来のアンテナ１０８においては、開口面積が小さいため、小さな開口に磁束が集中し、通信に利用する磁束のＺ方向成分の面積が小さくなってしまう。このように、従来のアンテナ（一般的なアンテナ）は、コイルの軸方向に開口面積を有しても、コイルの軸方向以外に開口面積を有することが難しい。この結果、通信可能な領域が偏り、少しでもその領域を外れると、すぐに通信が困難となってしまう。通信が困難となる領域とは、一方のアンテナが発生させる磁束のうち、一方のアンテナから他方のアンテナに向かう磁束と他方のアンテナから一方のアンテナに向かう磁束との双方が、他方のアンテナを貫くことによって、一方のアンテナが発生させる磁束が相殺されてしまう場合である。従来のアンテナ１０８はコイルの開口面積が小さいため、磁束が相殺しあう状況に陥りやすい。一方本願発明のアンテナ８は、コイルの開口面積が大きくなっているので、双方向の磁束が相手側アンテナを貫きにくい。また、前述したように従来のアンテナ１０８やその他のアンテナにおいては、一般的に、磁束の入り口と出口はコイルの軸方向に向いている。従って、基本的にメインの通信方向がコイルの軸方向となり、それ以外の方向における通信が困難となる。対して、アンテナ８は、コア１１が板状であり、２つの大きな面は図８のＺ方向を向いており、アンテナ８のコイルの軸方向を向いていない。そして、コイルの軸方向以外の方向（Ｚ方向）に磁束の入り口、出口を形成する面が形成されるため、コイルの軸方向以外の方向（Ｚ方向）においても良好な通信ができる。もちろんコイルの軸方向においても通信は可能であるため、コイルの軸方向からコア１１の面が向いている方向まで、３次元的に通信可能領域を広げることができる。

図１０、図１１を見ると同様で、図１０の本実施の携帯のアンテナ８は、Ｚ４５度方向の磁束も広い範囲に及んでいることが分かる。これは、領域Ｃの面積が大きいため、アンテナ８の開口面積が大きいことと同一の効果を得ることができるからである。一方、図１１の従来のアンテナ１０８においては、開口面積が小さいため、小さな開口に磁束が集中し、通信に利用する磁束のＺ４５度方向成分の面積が小さくなってしまう。この結果、通信可能な領域が偏り、少しでもその領域を外れると、すぐに通信が困難となってしまう。

これらの結果を、図１２、図１３が示す。

図１２（ａ）、（ｂ）の状況下において、図１２（ｃ）、（ｄ）のような実験結果が得られた。すなわち、図１２（ａ）は、通信対象のアンテナが、アンテナ８またはアンテナ１０８に平行に対向して通信を行う場合を横から見た図であり、位置関係は座標（０，０）である。ここで言う通信距離とは、通信相手であるアンテナ表面からアンテナ８表面までの距離である。また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）を上から見た図である。図１２（ｃ）は、本発明のアンテナ８の通信可能距離を座標別に示す図である。図１２（ｄ）は、従来のアンテナ１０８の通信可能距離を座標別に示す図である。なお、座標（０，０）とは、図８〜図１１の金属体１０３及びアンテナ８、１０８の配置において、金属体１０３の端の短辺（図１２（ｂ）、１３（ｂ）の上側辺）の中心点が通信相手のカード（８０ｍｍ×５０ｍｍ）の中心点に一致する点を意味する。図１３においては、金属体１０３の端の短辺は、アンテナ８、１０８が載置されている側の面の短辺を意味する。

図１２（ｃ）が示すとおり、本願発明のアンテナ８は、座標による通信距離の偏りが少なく、広い範囲で安定して通信することができる。また、ほとんどの領域において、通信距離が伸びている。一方、従来のアンテナ１０８においては、通信距離にかなりのバラツキがあり、特にＹ＝０ｍｍの位置では通信がかなり困難となる。また、通信領域の真ん中で通信困難な領域があるので、通信を安定して行うことが特に難しくなる。

また、図１３（ａ）、（ｂ）の状況下において、図１３（ｃ）、（ｄ）のような実験結果が得られた。すなわち、図１３（ａ）は、通信対象のアンテナが、アンテナ８またはアンテナ１０８に斜め４５度に対向して通信を行う場合を横から見た図であり、位置関係は座標（０，０）である。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）を上から見た図である。図１３（ｃ）は、本発明のアンテナ８の通信可能距離を座標別に示す図である。図１３（ｄ）は、従来のアンテナ１０８の通信可能距離を座標別に示す図である。

図１３（ｃ）が示すとおり、本願発明のアンテナ８は、座標による通信距離の偏りが少なく、広い範囲で安定して通信することができる。一方、従来のアンテナ１０８においては、通信距離にかなりのバラツキがあり、特にＹ＝１５ｍｍの位置では通信がかなり困難となる。もちろん、コイルの軸方向の通信も良好に可能である。

このような結果から、図７の従来のアンテナ１０８と比較して、本願発明のアンテナ８は、通信しあうアンテナ同士が平行に対向しても斜めに対向しても、広い範囲で安定して通信することができる。これは、図２の領域Ａと領域Ｃとをコイルの開口面積が増加したため、磁界の広がる領域が大きくなったからである。すなわち、アンテナ８が他方のアンテナと通信を行う際には、アンテナ８側から他方のアンテナ側へ向かう磁束と他方のアンテナ側からアンテナ８側とが発生する。そして、その両方向の磁束が他のアンテナを貫いてしまうと、お互いの方向の磁束が打ち消しあって通信することができない。従来のアンテナ１０８のようにコイルの開口面積が狭いと、磁束が狭い開口面積に集中するため、一方向の磁束が広がる面積が小さい。その結果、カード大の面積（約８０ｍｍ×約５０ｍｍ程度）のアンテナの中を、双方向の磁束の両方が貫いてしまいやすい（コイルの軸方向以外の方向をも通信方向とし、双方向の磁束が近くに存在するため）。一方、本願発明のアンテナ８では、一方向の磁束が広がる面積が大きいため、カード大の面積のアンテナの中を、双方向の磁束の両方が貫きにくい。換言すれば、一方向の磁束で十分にカード大の面積のアンテナの中の大部分を貫くことができるため、通信が困難となりにくい。更に、本願発明のアンテナ８は、従来のアンテナ１０８と比較して、コア１１は同程度の大きさに抑えつつ、フレキシブル基板１２の面積がかなり小さくなっていることが分かる。更に、アンテナ８のうちの厚い部分（領域Ｂ）を小さくして、薄い部分（領域Ａ、Ｃ）を利用するため、従来のアンテナ１０８と比較して薄型化、小型化が達成される。それにもかかわらず、本願発明のアンテナ８は同程度以上の通信距離を維持し、広い範囲で安定して通信を行うことができる。

更に、本願発明の特徴として、フレキシブル基板１２の構成するコイルの軸方向とは異なる方向であっても、通信方向として通信特性を向上させることができる。すなわち、図８を見ると、アンテナ８のコイルの軸方向は左右方向となり、左右方向における通信も可能である。例えば一般的なアンテナであれば、コイル軸方向のみがメインの通信方向となりやすい。しかしながら、本願発明のアンテナ８は、板状のコア１１とし、コア１１が備える大きな２つの面は、一方が背面カバー３に向いているものの、他方は主な通信方向となる図８の下方向を向いている。そして、下方向を向いている領域Ａと領域Ｃとを十分な面積で備えることによって、コイルの軸方向でないにも関わらず、図８のＺ方向の広い面積を通信方向とすることができる。

次に、コア１１のサイズについて説明する。図１４は、本実施の形態におけるアンテナのコアのサイズとアンテナの誘起電圧との関係を示す図である。

図１４においては、コア１１の幅１０ｍｍ、コイルの（コア１１の長手方向の）長さ２０ｍｍ、コイルはコア１１の長手方向の中央に配置されたまま、コア１１の長手方向の幅を変化させている。図１２（ａ）のような状況において、通信相手のアンテナのサイズが大、中、小それぞれの場合におけるそれぞれに誘起される最大電圧を計測している。それぞれのアンテナのサイズは、アンテナ（大）が７０ｍｍ×４０ｍｍ、アンテナ（中）が４５ｍｍ×３０ｍｍ、アンテナ（小）が２５ｍｍ×２０ｍｍである。図１４中の縦軸の値は、コア１１の長さが２０ｍｍのときの各々の誘起電圧で正規化してプロットしている。

コア１１の長さが３０〜４０ｍｍ（コイルの長さの１．５倍以上２倍以下）であるとき、アンテナ（大）、アンテナ（中）、アンテナ（小）の最大誘起電圧の値はコア１１の長さが２０ｍｍに比較して２０％以上大きく、アンテナ８が様々なサイズのアンテナを備える通信相手に対して安定して良好な通信を行うことができる。コア１１の長さが４０〜７０ｍｍ（コイルの長さの２倍以上３．５倍以下）であるとき、アンテナ（大）、アンテナ（中）の最大誘起電圧を高く維持しつつ、かつ、アンテナ（小）の最大誘起電圧がコアの長さが２０ｍｍのときよりも良好にすることができる。コア１１の長さが１２０ｍｍを越えると、通信相手のアンテナがいずれの大きさであっても、最大誘起電圧が下がるばかりである。従って、コア１１の長さは、長くとも１２０ｍｍ以下であることが好ましい。

また更に、複数の周波数帯において通信を行うような電子機器内に搭載される場合も、本願発明のアンテナ８は従来のアンテナ１０８に対して有利である。

図１５は、電子機器内における本実施の形態のアンテナ及び従来のアンテナと他の周波数帯のアンテナとの配置を示す図である。領域Ｄは、本願発明のアンテナの搭載推奨位置を示し、領域Ｅは、従来のアンテナの搭載推奨位置を示し、領域Ｆは、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷＬＡＮなどの周波数帯域用のアンテナ位置を示す。

一般的に、電子機器の筐体の中で、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷＬＡＮなどの周波数帯域用のアンテナは、筐体の端に配置される。これは、筐体内の金属体といった他部品による影響を抑えるためである。そして、バッテリー４側の下側端部には、通常電話用のアンテナなどが配置されるため、バッテリー４とは離れた側の上側端部に近い位置に配置される。また、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷＬＡＮなどの周波数帯域用のアンテナにとっては、ＮＦＣの周波数帯用のアンテナのほとんどが備える磁性シートやコアなどの磁性体が悪影響の根源となる。すなわち、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷＬＡＮなどの周波数帯域用のアンテナが動作すると、ＮＦＣの周波数帯用のアンテナの磁性体に渦電流が生じ、他のアンテナの通信の邪魔をする。従って、好ましくはＮＦＣの周波数帯用のアンテナとＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷＬＡＮなどの周波数帯域用のアンテナとを離して配置したほうが良い。しかし、ユーザーの使いやすさを考慮すると、携帯端末１の長手方向とアンテナ１０８のコイルの軸方向とが同一でないと、通信方向が不便となる。その結果、図７の従来のアンテナ１０８は図１５の左右方向を長手方向とし、コイルの軸方向が短手方向であるため、アンテナ１０８の長手方向の両端が背面カバー３の端部付近まで及び、背面カバー３の端部から離して背面カバー３の中央側に配置することは、困難であった。また、平面形状のループアンテナを利用したとしても、通信特性を確保するためには開口面積を大きくしなくてはならず、アンテナが背面カバー３の端部付近まで及んでしまう。

しかし、本願発明のアンテナは、背面カバー３の長手方向とアンテナ８のコイルの軸方向とを同一方向としても、アンテナ８の長手方向と背面カバー３の長手方向とが略同一であるため、背面カバー３の端部から離して配置することができる。

次に、本発明のアンテナ８であって、図２とは異なる形状のアンテナ８を紹介する。図１６は、本実施のアンテナの斜視図であって、領域Ａと領域Ｃとの長さの比率が大きく異なる。このように、領域Ａと領域Ｃとは、異なる長さ、異なる面積であってもよい。図１６のとき、アンテナ８のコイルパターンの開口部が、領域Ａ側で広く、領域Ｃ側で狭くなることと同様の状態となる。従って、領域Ａ付近では図８、図１０におけるＺ方向とＺ４５度方向の磁束が発生する面積が増加し、広い範囲で通信を行うことができる。

図１７は、本実施のアンテナの斜視図であって、コア１１の形状が長方形ではない。すなわち、コア１１のコイルパターンの巻回方向（コイル軸方向と垂直な方向）の幅が、領域Ｂ側から外側に向かって大きくなる。従って、領域Ｂと同一の幅の長方形コアであることと比較して、領域Ａ及び領域Ｃの面積が大きくなる。その結果、フレキシブル基板１２の面積を増加させずに、コア１１の影響力を大きくすることで通信可能距離を増加させることができる。

次に、これまで説明したアンテナ８と金属体とを備えるアンテナ装置について説明する。ここでは特に、例えば背面カバー３が金属体であった場合について説明する。すなわち、アンテナ８から見て金属体を突き通って奥まで磁界を発生させたい場合であり、金属体は背面カバー３だけに限られない。このときアンテナ装置は、アンテナ８と、背面カバー（金属体）と、を備え、背面カバー３にスロット４１を設け、コイル巻回部（領域Ｂ）及びコイル非巻回部（領域Ａ、Ｃ）の少なくとも一部がスロット４１に対向する。好ましくは、アンテナ８のコイルの軸方向において、スロット４１の長さは、アンテナ８の長さ以上となる。また、コイルの巻回方向において、スロット４１の長さは、アンテナの長さ以下である。

アンテナ８の近くに金属体が位置すると、金属体にアンテナ８の磁束を打ち消す渦電流が流れる。金属体に流れる渦電流によりアンテナ８が発生させる磁束は弱められるため、アンテナ８が金属体を挟んだ奥側の通信相手と通信することは、かなりの困難となる。しかし、本願発明のアンテナ８であれば、金属体に１本のスロットをいれるだけで、通信が可能となる。通信の原理については後述する。

図１８は、本実施の形態におけるアンテナが搭載された金属体を含む携帯端末の分解斜視図である。ここで、背面カバー３が金属体３である。図１９は、本実施の形態におけるアンテナが搭載された金属体を含む携帯端末の分解斜視図である。図１９と図１８との相違点は、背面カバー３に設けられるスロット４１がカメラ用貫通孔と連結していることである。コア１１も、カメラの周りを囲むような形状となっている。

図１と異なり、図１８の背面カバー３にはスロット４１が形成される。このスロット４１は、アンテナ８と対向しており、スロット４１の上に接触して、または接触せずにアンテナ８が位置する。すなわち、携帯端末１を背面カバー３の外側から見ると、スロット４１を通してアンテナ８が見えるような配置関係である。スロット４１の長手方向と、アンテナ８のコイル軸方向と、コア１１の長手方向と、が平行である。ただし、この３つの方向が全て平行であることが好ましいが、±３０度程度ずれても良好な効果を得ることができる。

本実施の形態においては、スロット４１の長さは４０ｍｍ、幅は４ｍｍである。なお、アンテナ８の長さは４０ｍｍ、幅は１０ｍｍである。スロット４１はアンテナ８と同じ長さであるが、それに限られず、基本的には長ければ長いほうが良くアンテナ８よりも長いとよい。スロット４１の長さが長いほど、背面カバー３１に流れる渦電流のループが大きくなり、大きな磁界が形成されるからである。スロット４１がコア１１よりも長いことで、コア１１が本来形成する磁界よりも大きくなる。少なくとも、フレキシブル基板１２（領域Ｂ）よりも長く、コア１１の領域Ａ及び領域Ｃが少なくとも一部スロット４１と重なる。また、スロット４１の幅は、アンテナ１１の幅よりも小さい。本来はスロット４１の幅も大きければ大きいほど良いが、アンテナ１１の幅よりも小さいことによって、スロット４１の小型化を達成し、背面カバー３に上手く渦電流が流れる。また、スロット４１は背面カバー３の端部に接続している必要はないため、背面カバー３のいずれの位置にも、自由に配置することができる。

次に、背面カバー３が金属体であってもスロット４１を設けることでアンテナ８の通信が可能となる理由について説明する。なお、金属体は背面カバー３に限られず、携帯端末１などに搭載される金属体のいずれであってもよく、例として背面カバー３を用いて説明する。

図２０は、本実施の形態における背面カバーとスロットとアンテナの関係を示す図である。図２０（ａ）は、上面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の直線Ｘ−Ｘにおける断面図である。図２１は、本実施の形態におけるアンテナの発生させる磁束と背面カバーとスロットの関係を示す図である。図２１（ａ）は上面図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の直線Ｙ−Ｙにおける断面図、図２１（ｃ）は図２１（ａ）の直線Ｚ−Ｚにおける断面図である。図２２は、本実施の形態における背面カバー（金属体）に流れる電流を示す図である。

図２０（ａ）から分かるとおり、スロット４１は、アンテナ８のうちコア１１の非巻回部及び巻回部の双方それぞれの一部と重なっている。ここで言う「重なっている」とは、接触、非接触のどちらでも良い。ただし、少なくとも背面カバー３（金属体）とアンテナ８とは絶縁されている。すなわち、図２の領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃのいずれもが、その一部において、スロット４１と重なっている。領域Ａと領域Ｃとの双方が必ずしも重なっている必要はないが、少なくとも領域Ｂは重なっている。また、図２０（ｂ）の通り、アンテナ８はその一部が背面カバー３と重なっており、かつ、スロット４１とその他の部分が重なっている。ただし、図２０（ｂ）の左右方向におけるスロット４１の中心線とアンテナ８の中心線が重なる必要はないが、好ましくは、アンテナ８の右側一部と左側一部とがそれぞれ背面カバー３と重なり、アンテナ８の右側一部と左側一部とに挟まれた中心部がスロット４１と重なると良い。

このような配置として、アンテナ８を動作させると、まず、図２１（ａ）のようにアンテナパターンに電流が流れる。図２１（ａ）では左から右に流れている場合を示している。その結果、図２１（ｂ）に示すように、背面カバー３のアンテナ８と対向している面には、アンテナ８の電流とは逆向きの渦電流すなわち右から左に向かって流れる電流が流れる。背面カバー３に流れるこの渦電流は、スロット４１を介して、アンテナ８と対向している面の反対の面にも流れる。反対の面に流れる電流の向きは、アンテナ８と対向している面に流れる電流の向き（右から左）と逆向きであり、左から右に向かっている。この結果、図２２から分かるとおり、反対の面に流れる電流の向きと、アンテナ８のアンテナパターンに流れる向きと、は同一方向となる。反対の面に流れる電流は、スロット４１の短手方向に沿った端部それぞれを回ってループを形成する。すなわち、図２１（ａ）のように、電流は時計回りのループと反時計回りのループを形成する。その結果、図２１（ｃ）に示されるような磁界が形成される。すなわち、電流は時計回りのループと反時計回りのループとのいずれかひとつが磁界の入り口であり、他方が出口となる。これは、必ずアンテナ８の発生させる磁界の向きと同一となる。この結果、金属体である背面ケース３の発生させる磁界がアンテナ８の磁界を妨害する向きとならないため、アンテナ８の磁束が金属体の反対側まで届く。このとき、本願発明のアンテナ８は金属体である背面カバー３を励振させてアンテナのように利用しているわけではなく、あくまでアンテナ８が通信を行う。従って、金属体が近くに存在しないほうが通信特性は優れるが、金属体が近くに存在したとしても、スロット一つを形成するだけで、良好な通信を行うことができる。

この結果、スロット４１を形成するだけで、たとえ背面カバー３のような金属体が近接、または金属体に囲まれたとしても、金属体が近接しない場合と同様に通信を行うことができる。

更に、スロット４１内にコア１１のような磁性材を挿入すると、アンテナ８の通信特性がより向上する。このとき、フレキシブル基板１２と重なる部分には磁性材を挿入してはならず、コア１１の領域Ａ、領域Ｃと重なる部分に磁性材を挿入する。また、スロット４１に挿入する磁性材はコア１１の磁性材と同一の材料であることで通信特性をより向上させることができるが、別の材料であってもよい。

スロット４１の形状は、長方形に限られず、多角形、円形、楕円形、曲線など、いずれであっても良い。好ましくは、スロット４１の長手方向が、アンテナ８のコア１１の長手方向と略同一方向であると良い。

次に、アンテナ８のコイルパターンのインダクタンス（Ｌ値）を調整する方法について説明する。すなわち、これまで説明したアンテナ８に、インダクタンス調整機構を付加した形状である。

図２３は、本実施の形態におけるインダクタンス調整機構を備えるアンテナの上面図である。図２４は、本実施の形態におけるアンテナのインダクタンスを決定するパラメータを説明する図である。図２５は、本実施の形態におけるアンテナをインダクタンス調整機構によってインダクタンスを変化させた様子を示す図である。

アンテナ８のフレキシブル基板１２においてコイルを構成する導線は、その両端において２本に分岐している。２本に分岐されるとは、図２に示すアンテナ８と比較して、分岐導線５１、５２が、導線１５１、１５２に対して追加されている。分岐導線５１、５２はその両端（分岐ポイント５５、５６及びトリミングポイント５３、５４のそば）で導線１５１、１５２と接続しているため、アンテナ８のコイルの巻回数は変化していない。インダクタンスを調整するためには、トリミングポイント５３、５４を必要に応じてトリミングする。ここで言うトリミングとは、打ち抜きやレーザー加工によって、トリミングポイントにおいて導線を断線させることを言う。従って、トリミングポイント５３、５４は、コア１１の外側に位置すると良い。それにより、トリミング時にコア１１が破損することを防ぐことができる。

トリミングポイントは、導線１５１、１５２と分岐導線５１、５２とにおいて、外側に位置する導線１５１、１５２上に位置する。従って、図２３では、分岐導線５１、５２ではない導線１５１、１５２にトリミングポイント５３、５４が位置する。これは、導線１５１、１５２を断線させることによって、コイルの軸方向長さを変化させることによりインダクタンスを変化させるからである。すなわち、トリミングポイントにおいてトリミングしない場合は、分岐導線５１、５２が存在しないコイルと同一のインダクタンスである。

対して、図２４を見ると、磁芯の透磁率をμ、コイルの断面積をＳ、コイルの巻数をＮ、コイルの長さをｌとし、コイルのインダクタンスＬは、Ｌ＝（μ×Ｓ×Ｎ×Ｎ）／ｌとなる。コイルの長さｌが小さいほどコイルのインダクタンスＬが大きくなることがわかる。すなわち、トリミングポイント５３、５４のうち少なくとも一つをトリミングすることによって、コイルの長さが短くなるため、インダクタンスを大きくすることができる。分岐導線５１、５２は少なくともコア１１の周りを１周以上することが好ましく、図２３のように複数以上コア１１の周りを巻回することが好ましい。また、分岐導線５１と分岐導線５２とを同じ周だけ巻回しており、それだけアンテナ８の特性を均等に安定させることができる。ただし、分岐導線５１と分岐導線５２との巻回数を異ならせてもよい。また、図２３においては、分岐導線５１、５２と導線１５１、１５２との間は密に隣り合っており、分岐導線５１、５２の存在しない中央の導線同士は疎に隣り合っている。このようにすることで、巻回部を小型化することができる。一方、中央部の導線、分岐導線５１、５２、導線１５１、１５２の全てが同一の幅で隣り合うことで、製造しやすいアンテナ８とすることができる。

図２５では、自由空間（金属体がアンテナ８に近接しない）の場合と、４０ｍｍ×４ｍｍのスロットが形成された背面カバー３（金属体）が近接する場合と、４０ｍｍ×１ｍｍのスロットが形成された背面カバー３（金属体）が近接する場合と、でのアンテナ８のインダクタンスを比較している。上記３つのパターンごとにインダクタンスは変化するものの、トリミングポイント５３、５４を断線することによって変化するインダクタンスの変化率は４．６〜５％と同程度である。なお、トリミングポイント５３、５４のいずれか一方のみを断線した場合の変化率は、半分の２．３〜２．５％程度である。また、このとき、背面カバー３だけでなく、他の金属板２０３もアンテナ８に近接している。すなわち、本願発明のアンテナ８は、スロット４１を設けることによって、金属体に囲まれた状況であってもインダクタンスの調整が可能であり、通信が可能であることがわかる。

本発明によれば、小型で、インダクタンス値の安定したアンテナとし、アンテナの通信特性を維持することができるため、携帯電話などの様々な電子機器のアンテナ、アンテナ装置および通信装置として有用である。また、特に自動で商品管理、書籍管理などが可能となる収納棚、展示棚以外の医薬品管理、危険物管理、貴重品管理システムなどの用途にも適用できる。

１ 携帯端末
２ 表示パネル
３ 背面カバー
４ バッテリー
５ カメラ
６ 電子回路基板
７ａ，７ｂ アンテナ入出力用ピン
８ アンテナ
８ａ，８ｂ 外部接続端子
９ アンテナ制御部
１１ コア
１２ フレキシブル基板
１２ａ 下側フレキシブル基板
１２ｂ 上側フレキシブル基板
４１ スロット
５１，５２ 分岐導線
５３，５４ トリミングポイント
５５，５６ 分岐ポイント

Claims (9)

1. 面を備えるコアと、
   前記面のうち、コイルが巻回されたコイル巻回部と、
   前記面のうち、前記コイルが巻回されていない複数のコイル非巻回部と、を備え、
   前記コイル巻回部は、前記面上の第１の方向において前記複数のコイル非巻回部に挟まれ、
   前記面は、前記第１の方向における幅が、前記第１の方向と垂直な第２の方向の幅以上であることを特徴とするアンテナ。
2. 前記コアは、略長方形の形状をする前記面を表面または裏面とする板状であり、
   前記コイルは、前記面の短手方向と前記コイルの軸方向とが交差するように巻回されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１の方向において、複数の前記コイル非巻回部の全体長さは、前記コイル巻回部の長さ以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のアンテナ。
4. 前記第１の方向において、複数の前記コイル非巻回部それぞれの長さは、略同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナと、金属体と、を備え、
   前記金属体にスロットを設け、前記コイル巻回部及び前記コイル非巻回部の少なくとも一部が前記スロットに対向していることを特徴とするアンテナ装置。
6. 前記第１の方向において、前記スロットの長さは、前記アンテナの長さ以上であることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記第２の方向において、前記スロットの長さは、前記アンテナの長さ以下であることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載のアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置を収納し、前記金属体を少なくとも一部に備える筐体を備えることを特徴とする通信装置。
9. 請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナと、
   前記アンテナを収納し、非金属を少なくとも一部に備える筐体を備えることを特徴とする通信装置。