JP2016127407A

JP2016127407A - ループアンテナ及び通信装置

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Publication number: JP2016127407A
Application number: JP2014266262A
Authority: JP
Inventors: 吉彦岡本; Yoshihiko Okamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】ループアンテナの全域或いはほぼ全域で対向する電子機器との良好な通信感度が得られるようにする。【解決手段】導体を同一方向に巻いた複数のループで構成されるループアンテナであって、最外周のループを含む最外ループ領域と、最内周のループを含む最内ループ領域とを含む少なくとも二つ以上のループ領域を有し、前記ループ領域には少なくとも一巻き以上のループが形成され、前記二つ以上のループ領域において、前記最外ループ領域の最内周のループと、該ループ領域の一つ内側のループ領域の最外周のループ間距離が所定の長さ未満であって、前記最内ループ領域の最内周のループの短辺または短径が所定の長さ未満であるループを構成し、前記最外ループ領域の最外周のループのサイズから前記複数のループの構成を満たす最少のループ領域数で構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、ループアンテナ及び通信装置に関する。

通信装置に搭載されているアンテナがアンテナの外枠にのみループを構成しているようなループアンテナでは、小型ループアンテナを有する電子機器をアンテナ中央部に配置した際に、以下のことが考えられる。対向する電子機器のループアンテナのループを通過する通信装置のループアンテナから発生した磁界が少なく、当該電子機器のループに誘導電流が流れずに、当該電子機器が有するＩＣタグの動作に必要な起電力を得られない可能性がある。

また、ＲＦＩＤ等のリーダライターに搭載されるアンテナとしては、アンテナの全域で良好な通信感度を得るために、アンテナのＱ値は低めに抑えるのが一般的である。そのため、アンテナのループの巻き数を単純に増やしただけでは、通信感度の良好なループアンテナとはならない可能性がある。
特許文献１には、アンテナ中央部での通信感度を向上させるために外部ループの内側に更にループを有する構成のループアンテナが記載されている。

特開２００２−３２４２１５号公報

特許文献１に記載されているループアンテナは、ループ間隔が広く、対向する電子機器が小型アンテナを搭載している場合には、ループ間に小型アンテナが収まってしまう。このような場合、ループアンテナの一部の領域では、対向する電子機器との通信感度が低下し、対向する電子機器との通信ができない問題が発生する可能性がある。

そこで、本発明は、ループアンテナの全域或いはほぼ全域で対向する電子機器との良好な通信感度が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係るループアンテナは、導体を同一方向に巻いた複数のループで構成されるループアンテナであって、最外周のループを含む最外ループ領域と、最内周のループを含む最内ループ領域とを含む少なくとも二つ以上のループ領域を有し、前記ループ領域には少なくとも一巻き以上のループが形成され、前記二つ以上のループ領域において、前記最外ループ領域の最内周のループと、該ループ領域の一つ内側のループ領域の最外周のループ間距離が所定の長さ未満であって、前記最内ループ領域の最内周のループの短辺または短径が所定の長さ未満であるループを構成し、前記最外ループ領域の最外周のループのサイズから前記複数のループの構成を満たす最少のループ領域数で構成されることを有することを特徴とする。

本発明によれば、ループアンテナの全域或いはほぼ全域で対向する電子機器との良好な通信感度が得られるようにすることができる。

実施形態１における無線通信システムの構成の一例を説明するための図である。実施形態１における通信装置１００が有する構成要素の一例を説明するためのブロック図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、通信装置１００が有するループアンテナの形状の例を説明するための図である。

以下に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１は、実施形態１における無線通信システムの構成の一例を説明するための図である。
実施形態１に係る無線通信システムは、図１に示すように、通信装置１００と、通信装置１００と近接無線通信等の無線通信を行う電子機器２００とで構成される。
通信装置１００における所定の範囲３００内に電子機器２００が存在する場合において、通信装置１００は、ループアンテナ１０５を介して非接触により電子機器２００と通信を行う。

通信装置１００における所定の範囲３００とは、電子機器２００が通信装置１００から供給される電力によって、通信を行うことができる範囲である。
電子機器２００は、例えば、携帯端末（例えば、タブレット型コンピュータ等）、携帯電話（例えば、スマートフォン等）、撮像装置（例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等）のいずれかとして動作する機器である。或いは、電子機器２００は、例えば、再生装置（例えば、音声データ、映像データの少なくとも一つを再生することができる装置）として動作する機器である。

図２は、実施形態１における通信装置１００が有する構成要素の一例を説明するための図である。
通信装置１００は、電力生成部１０１、制御部１０２、第１の通信部１０３、整合回路１０４、ループアンテナ１０５、ＲＯＭ１０６、ＲＡＭ１０７、記憶制御部１０８、表示部１０９、操作部１１０、第２の通信部１１１及びタイマー１１２を有する。記憶制御部１０８は、記憶媒体１０８ａへのアクセスを制御する。電力生成部１０１、制御部１０２、第１の通信部１０３、整合回路１０４、ＲＯＭ１０６、ＲＡＭ１０７、記憶制御部１０８、表示部１０９、操作部１１０、第２の通信部１１１及びタイマー１１２の少なくとも一つは、ハードウェア構成を有する。

電力生成部１０１は、ＡＣ電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を通信装置１００の各構成要素へ供給する。
制御部１０２は、例えばマイクロコンピュータであり、電力生成部１０１から供給される電力によって動作し、通信装置１００の各構成要素の動作を制御する。また、制御部１０２は、ＲＯＭ１０６に格納されているコンピュータプログラムを実行することによって、通信装置１００の各構成要素の動作を制御する。

第１の通信部１０３は、例えば、ＮＦＣフォーラムによって規定されているＮＦＣ規格に基づいて無線通信を行う。また、第１の通信部１０３は、ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０９２規格、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３規格、ＩＳＯ／ＩＥＣ２１４８１規格に基づいて無線通信を行ってもよい。

第１の通信部１０３と電子機器２００との間で送受信する情報は、ＮＤＥＦ（ＮＦＣＤａｔａＥｘｃｈａｎｇｅＦｏｒｍａｔ）に対応する情報である。
第１の通信部１０３は、電子機器２００にＮＤＥＦに対応する情報を送信する場合、電力生成部１０１から供給される電力を、振幅変位を利用したＡＳＫ（ＡｍｐｌｉｔｕｄｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）変調によって、パルス信号に変換する。ＡＳＫ変調は、振幅変位を利用した変調であり、ＩＣカードと非接触により通信を行うカードリーダとの通信等で用いられる。

第１の通信部１０３は、第１の通信部１０３に含まれるアナログ乗算器や負荷抵抗をスイッチングさせることにより、電力生成部１０１によって生成された電力の振幅を変更することによって、パルス信号に変更する。第１の通信部１０３によって変更されたパルス信号は、ループアンテナ１０５に供給され、コマンドとして電子機器２００に送信される。
さらに、第１の通信部１０３は、所定の符合化方式による符合化回路を有する。
第１の通信部１０３は、電子機器２００からＮＤＥＦに対応する情報を受信する場合、整合回路１０４において検出されるループアンテナ１０５に流れる電流の変化に応じて、以下のようにすることができる。第１の通信部１０３は、電子機器２００に送信したコマンドに対する返答を符号化回路により復調することができる。このことによって、第１の通信部１０３は、負荷変調方式によって電子機器２００に送信したリクエストに対するレスポンスや、電子機器２００から送信される情報を、電子機器２００から受信することができる。第１の通信部１０３は、制御部１０２からの指示に応じてコマンドを電子機器２００に送信する。さらに、第１の通信部１０３は、電子機器２００からのレスポンスや情報を受信した場合、受信した返答を復調して制御部１０２に供給する。
また、第１の通信部１０３は、通信設定を変更可能なレジスタを有する。制御部１０２は、本レジスタを変更することで通信感度の調整を行うことができる。

整合回路１０４は、可変コンデンサ、コンデンサ、可変コイル、コイル、可変抵抗、抵抗等の整合調整素子で構成される。整合回路１０４は、ループアンテナ１０５と、制御部１０２により選択された通信の対象となる電子機器２００が有するアンテナとの間で整合状態を調整して共振を行うための共振回路である。また、整合回路１０４は、第１の通信部１０３とループアンテナ１０５との間のインピーダンスマッチングを行うための回路を含む。

共振周波数は、通信装置１００と、通信装置１００の通信の対象となる電子機器２００とが共振を行うための周波数であり、以下「共振周波数ｆ」と呼ぶ。
式（１）は、共振周波数ｆを計算するための式である。ここで、Ｌはループアンテナ１０５と外部の寄生要因によるインダクタンス値、Ｃは整合回路１０４と寄生要因によるキャパシタンス値である。

ｆ＝１／（２π（ＬＣ）^1/2）・・・式（１）

ループアンテナ１０５から出力される電力が共振周波数ｆになるように、整合回路１０４の整合調整素子値をあらかじめ設定してもよい。また、制御部１０２が整合回路１０４の可変コンデンサ等の値を制御することで、ループアンテナ１０５から出力される電力が共振周波数ｆになるよう制御してもよい。
共振周波数ｆは、例えば、１３．５６ＭＨｚであるが、第１の通信部１０３の通信規格で規定されている周波数であってもよい。

ループアンテナ１０５は、電子機器２００と近接無線通信等の無線通信を行うためのループアンテナである。ループアンテナ１０５は、導体を同一方向に巻いた複数のループで構成される。
通信装置１００は、ループアンテナ１０５を介して電子機器２００に情報を送信する。また、通信装置１００は、ループアンテナ１０５を介して、電子機器２００に送信した情報に対応する応答及び電子機器２００から送信された情報を受信する。例えば、ループアンテナ１０５のループパターン（導電パターン）に流れる電流により磁界が生じ、発生した磁界を介して対向の電子機器２００に搭載されるループアンテナに誘導電流が流れる電磁誘導方式に則って通信を行う。なお、ループアンテナ１０５の形状に関しては後述する。

ＲＯＭ１０６は、通信装置１００の各構成要素の動作を制御するコンピュータプログラム及び各構成要素の動作に関するパラメータ等の情報を格納する。
ＲＡＭ１０７は、制御部１０２がプログラムを実行する際に作業領域として使用するための揮発性メモリである。また、ＲＡＭ１０７は、電子機器２００から受信したデータ等を一時的に格納することが可能である。

記憶制御部１０８は、第１の通信部１０３、第２の通信部１１１を介して受信した情報を記憶媒体１０８ａに格納する。また、記憶制御部１０８は、映像情報や音声情報等の情報を記憶媒体１０８ａから読み出し、表示部１０９、第１の通信部１０３及び第２の通信部１１１に供給することもできる。
記憶媒体１０８ａは、ハードディスク装置、メモリカード等のいずれであってもよい。記憶媒体１０８ａは、通信装置１００に内蔵された記憶媒体であってもよいし、通信装置１００から取り外し可能な記憶媒体であってもよい。

表示部１０９は、記憶制御部１０８によって記憶媒体１０８ａから読み出される映像情報、ＲＯＭ１０６、ＲＡＭ１０７から供給される映像情報及び第２の通信部１１１から供給される映像情報のいずれか一つの映像情報を表示する。映像情報とは、電子機器２００との通信状況等をユーザに通知するためのメッセージ等である。また、表示部１０９は、外部機器のモニタと接続するためのＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ−ＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＩｎｔｅｒｆａｃｅ）（登録商標）等のコネクタで構成されていてもよい。

操作部１１０は、通信装置１００を操作するためのユーザインターフェースを提供するためのものであり、電源ボタン、モード切換ボタン、設定変更ボタン等を有し、各ボタンはスイッチ、タッチパネル等により構成される。
制御部１０２は、操作部１１０を介して入力されたユーザの指示に従って通信装置１００を制御する。なお、操作部１１０は、リモートコントローラから受信したリモコン信号に応じて通信装置１００を制御する対象物であってもよい。

第２の通信部１１１は、第１の通信部１０３の通信規格と異なる通信規格に基づいて、電子機器２００と無線通信を行う。第２の通信部１１１の通信規格は、例えば、無線ＬＡＮ規格に規定されている８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ｎ、ａｃ規格や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格である。第２の通信部１１１は、ＲＡＭ１０７、記憶媒体１０８ａのいずれか一つから供給された映像情報や音声情報等の情報を電子機器２００に送信する。また、第２の通信部１１１は、電子機器２００から通信装置１００に送信される映像情報や音声情報等の情報を受信する。

タイマー１１２は、現在の時刻や各構成要素で行われる動作や処理に関する時間を計測する。実施形態１においては、タイマー１１２によって計測される時間に対する閾値は、ＲＯＭ１０６にあらかじめ格納されているものとする。
通信装置１００は、スピーカ部を有していてもよい。スピーカ部は、記憶制御部１０８によって記憶媒体１０８ａから読み出される音声情報、ＲＯＭ１０６、ＲＡＭ１０７から供給される音声情報及び第２の通信部１１１から供給される音声情報のいずれか一つを出力する対象物とする。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、通信装置１００が有するループアンテナ１０５のループ形状の例を説明するための図である。以下、図３（ａ）に示すループアンテナ１０５の一例をループアンテナ１０５ａと記載し、図３（ｂ）に示すループアンテナ１０５の一例をループアンテナ１０５ｂと記載する。同様に、図３（ｃ）に示すループアンテナ１０５の一例をループアンテナ１０５ｃと記載し、図３（ｄ）に示すループアンテナ１０５の一例をループアンテナ１０５ｄと記載する。
ループアンテナ１０５ａ及び１０５ｂは、アンテナ内の最も外側に構成される最外周のループを含む最外ループ領域であるループ領域１と、最も内側に構成される最内周のループを含む最内ループ領域であるループ領域２とを含む２つのループ領域を有する。
ループアンテナ１０５ａ及び１０５ｂは、各ループ領域のループ数は１巻きで構成される。図３（ａ）に示すループアンテナ１０５ａは、ループ形状が矩形形状である場合のループアンテナ１０５である。図３（ｂ）に示すループアンテナ１０５ｂは、ループ形状が楕円形形状である場合のループアンテナ１０５である。

ループ領域１内のループと、ループ領域２内のループ間距離の最大距離をＡとし、アンテナの最も内側のループ領域２内のループの短辺または短径の距離をＢとする。Ａ及びＢは、対向する電子機器２００に搭載されるループアンテナの最も外側に構成されているループの短辺よりも短い距離に設定されているものとする。これにより、対向する電子機器２００に搭載されるループアンテナのループと、ループアンテナ１０５ａ及び１０５ｂのループとが、交差する構成となる。したがって、対向する電子機器２００のアンテナがループアンテナ１０５ａのループ間に収まってしまうのを回避することができる。

前述のように構成することにより、ループアンテナ１０５ａ及び１０５ｂから発した磁界を効率よく電子機器２００に搭載されるループアンテナに伝えることが可能となり、通信感度の向上を図ることができる。Ａ及びＢは、例えば、５ｍｍから１６ｍｍまでの範囲に含まれる長さで構成されることが望ましい。

ループアンテナ１０５ｃは、アンテナ内の最も外側に構成されるループ領域１と、最も内側に構成されるループ領域２とを含む２つのループ領域を有し、各ループ領域のループ数は２巻きで構成される。ループアンテナ１０５ｃにおいて、各ループ形状は正方形に構成されている。

ループアンテナ１０５において、ループ領域には、少なくとも一巻き以上のループが形成されている。各ループ領域のループ数を変更することで、ループアンテナ１０５のインダクタンス値を調整することが可能である。例えば、ループアンテナ１０５のインダクタンス値を大きく増減させたい場合には、ループ領域１のループ数を調節し、ループアンテナ１０５のインダクタンス値を少量変化させたい場合には、ループ領域２のループ数を調節する等を行うことが可能である。

ループ領域１内の最も内側のループと、一つ内側のループ領域２内の最も外側のループ間の最大距離をＡとし、アンテナの最も内側のループ領域２内の最も内側のループの短辺の距離をＢとする。Ａ及びＢは、対向する電子機器２００に搭載されるループアンテナの最も外側に構成されているループの短辺よりも短い距離に設定されているものとする。
Ａ及びＢは、図３（ａ）及び図３（ｂ）記載のループアンテナ１０５ａ及び１０５ｂと同様に、５ｍｍから１６ｍｍまでの範囲に含まれる長さで構成されることが望ましい。
なお、ループ領域１内のループアンテナ１０５ｃの最も外側のループサイズと、Ａ及びＢの距離の長さによって、ループ領域の数が決定されるものとする。

ループアンテナ１０５ｄは、アンテナ内の最も外側に構成されるループ領域１と、最も内側に構成されるループ領域３と、ループ領域１とループ領域３の間のループ領域２とを含む３つのループ領域を有する。ループアンテナ１０５ｄの各ループ領域のループ数は１巻きで構成され、各ループ形状は正方形に構成されている。

ループアンテナ１０５ｄにおいて、ループ領域１内のループとループ領域２内のループ間の最大距離をＡ１、ループ領域２内のループとループ領域３内のループ間の最大距離をＡ２とし、アンテナの最も内側のループ領域３内のループの短辺の距離をＢとする。Ａ１、Ａ２及びＢは、対向する電子機器２００に搭載されるループアンテナの最も外側に構成されているループの短辺よりも短い距離に設定されているものとする。
Ａ１、Ａ２及びＢの距離は、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に記載のループアンテナ１０５ａ〜１０５ｃと同様に、５ｍｍから１６ｍｍまでの範囲に含まれる長さで構成されることが望ましい。

このように、実施形態１のループアンテナ１０５は、アンテナの外形サイズと、Ａ１、Ａ２及びＢの距離に応じてループ領域数を調整することが可能であり、ループアンテナ１０５のサイズがいかなるものであっても、以下のように構成することが可能である。各ループ間隔及び最も内側のループの短辺あるいは短径が、対向する電子機器２００に搭載されるループアンテナの最も外側に構成されているループの短辺よりも短い所定の長さ未満になるようループを構成することができる。
また、最外ループ領域の最外周のループのサイズから複数のループの構成を満たす最少のループ領域数を決定することができる。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に記載のループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄにおいて、ループの巻き始めをｓとし、巻き終わりをｅとする。
ループは、ｓからｅまで分岐がないように構成されるものとする。ｓ及びｅは、ループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄの最も内側のループの延長線上に位置していてもよい。
図３（ａ）のように、ｓまたはｅのうち、どちらか一方がループアンテナ１０５ａの最も内側のループの延長線上に位置している構成でもよい。また、ｓ及びｅの双方がループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄの最も内側のループの延長線上に位置している構成でもよい。また、ｓ及びｅは、図３（ｂ）に示したループアンテナ１０５ｂ、図３（ｃ）に示したループアンテナ１０５ｃ、図３（ｄ）に示したループアンテナ１０５ｄのように、ループアンテナの中央部付近に位置していてもよい。

また、ループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄにおいて、中心部を「Ｏ」とし、各ループの中心軸「Ｏ」は、概ね共通となるように各ループを構成する。また、ループの形状は矩形、楕円形、正方形に限られないものであり、正円形等でも構わないものとする。
ループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄにおいて、ループパターン（導電パターン）の幅は、例えば、０．５ｍｍから１．０ｍｍまでの範囲で構成される。また、ループパターン（導電パターン）の材質は、例えば、銅及びメッキで構成される薄膜である。ループパターン（導電パターン）の厚さは、例えば、数十μｍ程度である。

ループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄのループパターン（導電パターン）は、例えば、ＦＲ−４（ＦｌａｍｅＲｅｔａｒｄａｎｔＴｙｐｅ４）基板上に形成されるものとする。ループアンテナ１０５ａ〜１０５ｄのループパターン（導電パターン）は、フレキシブル基板上に形成されていても構わない。なお、図３（ａ）〜図３（ｄ）において、直線で示されているループパターン（導電パターン）は、基板上の同一の層に構成されている。また、図３（ａ）〜図３（ｄ）において、点線で示されているループパターン（導電パターン）は、直線で示されているループパターンが構成されている層とは他の層に構成されている。

このように、ループアンテナ１０５を図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）或いは図３（ｄ）に示すように構成することにより、ループアンテナ１０５の全域或いはほぼ全域で電子機器２００との良好な通信感度が得られるようにすることができる。

１００通信装置
１０５ループアンテナ
２００電子機器
３００通信装置における所定の範囲

Claims

導体を同一方向に巻いた複数のループで構成されるループアンテナであって、
最外周のループを含む最外ループ領域と、最内周のループを含む最内ループ領域とを含む少なくとも二つ以上のループ領域を有し、前記ループ領域には少なくとも一巻き以上のループが形成され、
前記二つ以上のループ領域において、前記最外ループ領域の最内周のループと、該ループ領域の一つ内側のループ領域の最外周のループ間距離が所定の長さ未満であって、
前記最内ループ領域の最内周のループの短辺または短径が所定の長さ未満であるループを構成し、前記最外ループ領域の最外周のループのサイズから前記複数のループの構成を満たす最少のループ領域数で構成されることを特徴とするループアンテナ。
前記複数のループにおいて、巻き始めから巻き終わりまで分岐のないように各ループを構成することを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
前記複数のループにおいて、各ループの中心軸は概ね共通となるように前記各ループを構成することを特徴とする請求項１または２に記載のループアンテナ。
前記複数のループにおいて、各ループの形状は矩形とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のループアンテナ。
前記ループ領域を２つ有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のループアンテナ。
前記複数のループにおいて、各ループ領域は一巻きのループで構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のループアンテナ。
前記所定の長さとは、５ｍｍから１６ｍｍまでの範囲に含まれるとすることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のループアンテナ。
前記ループの巻き始めと巻き終わりの少なくともどちらか一方は、前記最内ループ領域の最内周のループの延長線上に位置することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のループアンテナ。
電子機器と無線通信を行う通信装置であって、
前記電子機器と通信を行うための信号を制御する制御手段と、
前記制御手段により選択された通信の対象となる電子機器のアンテナとの整合状態を調整する整合手段と、
導体を同一方向に巻いた複数のループで構成され、最外周のループを含む最外ループ領域と、最内周のループを含む最内ループ領域とを含む少なくとも二つ以上のループ領域を有し、前記ループ領域には少なくとも一巻き以上のループが形成され、前記二つ以上のループ領域において、外側のループ領域の最内周のループと、該ループ領域の一つ内側のループ領域の最外周のループ間距離が所定の長さ未満に形成されるとともに、前記最内ループ領域の最内周のループの短辺または短径が所定の長さ未満に形成され、さらに、前記最外ループ領域の最外周のループのサイズから複数のループの構成を満たす最少のループ領域数で構成されるループアンテナと
を有することを特徴とする通信装置。
前記所定の長さとは、前記電子機器の有するループアンテナの最も外側に構成されるループの短辺の長さとすることを特徴とする請求項９に記載の通信装置。