JP2016208469A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線構造のアンテナコイルを用いて構成され、近距離無線通信に適したアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１は、巻芯部１１ａを有する磁性コア１１と、巻芯部１１ａに巻回された巻線からなるアンテナコイル１２と、平面視でアンテナコイル１２のコイル軸方向を覆う金属層２１とを備え、金属層２１は、平面視で巻芯部１１ａと重なるスリットＳＬを有し、スリットＳＬのエッジＥは、平面視でアンテナコイル１２の内径部１２ｃを横切っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、ＮＦＣ（Near Field Communication：近距離無線通信）に好適なアンテナ装置に関するものである。

近年、スマートフォン等の携帯電子機器にはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：電波による個体識別）システムが搭載されており、そのための通信手段としてリーダ・ライタ等と近距離無線通信を行うためのアンテナが搭載されている。

一方、内蔵回路を外部ノイズから保護すると共に機器内で発生するノイズの不要輻射を防止するため、携帯電子機器には金属シールドが設けられている。特に最近は、薄型化、軽量化、落下等の衝撃に対する耐久性、デザイン性等を考慮して、携帯電子機器の筐体自体が樹脂製から金属製となり、金属シールドを兼ねるケースも増えてきている。しかし、一般に金属シールドは電波を妨げることから、アンテナを設ける場合には金属シールドと重ならない位置に設ける必要があり、金属シールドが広範囲に設けられているときにはアンテナの配置が問題となる。

上記問題を解決するため、例えば特許文献１に開示されたアンテナ装置は、金属層に開口部を形成すると共に当該開口部と外縁との間を連接するスリットを形成し、内径部が開口部と重なるようにアンテナコイルを配置している。このアンテナ装置によれば、コイル導体に電流が流れることにより生じる磁界を遮るように金属層に電流が流れ、そして金属層の開口部の周囲に流れる電流がスリットの周辺を通り、縁端効果により金属層の周囲にも電流が流れる。これにより、金属層からも磁界が生じ、金属層が磁束を大きく周回させるので、アンテナ装置と相手側アンテナとの通信距離を延ばすことができる。すなわち、アンテナ装置の通信距離を広げるアクセラレータとして金属層を機能させることができる。

特許第４６８７８３２号公報

上述した従来のアンテナ装置はいわゆる平面コイルアンテナであるが、巻線型の立体的なコイルアンテナも知られている。この種のコイルアンテナは、平面コイルアンテナよりもインダクタンスを高めやすく、より多くの磁力線を発生させることができ、小型化も可能である。

しかしながら、巻線型のコイルアンテナは指向性が強すぎるだけでなく、アンテナサイズを小さくした場合には相手方アンテナと鎖交可能な大きなループ磁束を発生させることができないため、近距離無線通信用のアンテナとして実用上の問題がある。

したがって、本発明の目的は、巻線型のアンテナコイルを用いて構成され、近距離無線通信に適したアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナ装置は、巻芯部を有する磁性コアと、前記巻芯部に巻回された巻線からなるアンテナコイルと、前記アンテナコイルのコイル軸方向と交差する金属層とを備え、前記金属層は、スリットを有し、前記スリットのエッジは、平面視で前記アンテナコイルの内径部を横切っていることを特徴とすることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナコイルから発生する磁束をスリットから金属層の外側に放射させることができ、金属層の周りを大きく周回させることができる。したがって、巻線型アンテナコイルの指向性を広げることができ、近距離無線通信に好適なアンテナ特性を実現することができる。

本発明において、前記磁性コアは、前記巻芯部の一端及び他端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部をさらに有することが好ましい。この構成によれば、巻線型アンテナコイルの加工や実装を容易することができる。さらに、第２の鍔部が巻芯部と共にアンテナコイルの磁路として有効に機能することにより、アンテナコイルのインダクタンスを高めることができ、アンテナ特性を高めることができる。

本発明において、前記第１の鍔部は前記第２の鍔部よりも前記金属層側に位置し、前記コイル軸と直交する方向における前記第１の鍔部の幅は、当該方向における前記第２の鍔部の幅よりも狭いことが好ましい。第１の鍔部を小さくすることで磁束を収束させることができ、より多くの磁束をスリットに導くことができる。また、第２の鍔部を大きくすることでアンテナコイルの近くに設けられたバッテリーパックなどの金属体の影響を抑えてアンテナコイルと鎖交する磁束の磁路を安定的に確保することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。

本発明によるアンテナ装置は、前記第２の鍔部の前記コイル軸と直交する側面に設けられた磁性体シートをさらに備え、前記磁性体シートの平面サイズは前記側面の平面サイズよりも大きいことが好ましい。この構成によれば、アンテナコイルの近くに存在する金属体の影響を抑えてアンテナコイルと鎖交する磁束の磁路を安定的に確保することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。

本発明において、前記コイル軸と直交する方向における前記巻芯部の断面形状は、前記スリットの延在方向に細長いことが好ましい。この構成によれば、アンテナコイルの小型化を図りつつアンテナコイルの内径部がスリットと平面視で重なる範囲をできるだけ広くすることができる。したがって、アンテナ特性をさらに高めることができる。

本発明において、前記アンテナコイルは携帯電子機器の筐体内に設けられており、前記金属層は、前記筐体の少なくとも一部であることが好ましい。アンテナ装置が内蔵される携帯電子機器の筐体が金属層で構成されている場合には、携帯電子機器の耐久性やデザイン性を向上させることができるが、金属層のシールド効果によってアンテナ装置が通信できなくなるという問題がある。しかし、本発明によればそのような問題を解決することができるだけでなく、アンテナコイルの放射特性を改善することができる。

本発明によるアンテナ装置は、前記筐体内に設けられたプリント基板をさらに備え、前記アンテナコイル及び前記磁性コアは前記プリント基板上に表面実装されたコイル部品を構成していることが好ましい。この構成によれば、携帯電子機器を構成する他の電子部品と同様に、アンテナコイルをプリント基板上に表面実装することができ、アンテナコイルを筐体内に容易に設置することができる。

本発明によれば、巻線型のコイルアンテナを採用した場合でも、指向性が広く、近距離無線通信に適したアンテナ装置を提供することができる。

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透過的に示す略平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った略側面断面図である。 図３は、アンテナコイルに対する金属層及びスリットの作用を説明するための略平面図である。 図４は、アンテナコイルに対する金属層及びスリットの作用を説明するための略断面図である。 図５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略断面図である。 図６は、本発明の第３の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、磁性コアの巻芯部の断面形状の変形例を示す略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

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透過的に示す略平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った略側面断面図である。

図１及び図２に示すように、このアンテナ装置１は、ドラム型の磁性コア１１に巻回された巻線型のアンテナコイル１２と、アンテナコイル１２の上方を覆う金属層２１とを備えている。磁性コア１１及びアンテナコイル１２は、表面実装可能な巻線型のコイル部品１０を構成する。金属層２１は携帯電子機器の筐体２０の全部又は一部を構成するものであり、平面視でアンテナコイル１２のコイル軸（Ｚ軸）と直交するように配置されている。なお、アンテナコイル１２から見て金属層２１側が上方、反対側が下方であるものとする。

磁性コア１１は、巻芯部１１ａと、巻芯部１１ａの一端及び他端にそれぞれ設けられた一対の鍔部１１ｂ，１１ｃとを有している。巻芯部１１ａの中心軸方向はＺ軸方向である。磁性コア１１は、一方の鍔部１１ｂ（第１の鍔部）が金属層２１側に位置し、他方の鍔部１１ｃ（第２の鍔部）が金属層２１と反対側に位置するように携帯電子機器の筐体２０の内部に配置されている。磁性コア１１のサイズ（縦×横×高さ）は例えば２×２×２（ｍｍ）とすることができる。

アンテナコイル１２はいわゆるヘリカルアンテナであり、磁性コア１１の巻芯部１１ａに巻かれた立体的な巻線構造を有している。アンテナコイル１２のターン数は特に限定されず、所望のアンテナ特性に応じて適宜設定される。巻線型のアンテナコイルによれば、平面コイルパターンに比べて平面サイズを小さくすることができ、アンテナ装置の小型化及び省スペース化を図ることができる。

本実施形態において、コイル部品１０は筐体２０内のプリント基板３０上に実装されている。アンテナコイル１２の一端１２ａ及び他端１２ｂは、磁性コア１１の第２の鍔部１１ｃに設けられた一対の信号端子１１ｄ_１，１１ｄ_２にそれぞれ接続されている。第２の鍔部１１ｃにはハンダ実装用の一対のダミー端子１１ｅ_１，１１ｅ_２も設けられており、４つの端子（１１ｄ_１，１１ｄ_２，１１ｅ_１，１１ｅ_２）がプリント基板３０上の４つのランド３１ａに半田付けされることで磁性コア１１は機械的に固定される。アンテナコイル１２の両端（１２ａ，１２ｂ）は、一対の信号端子１１ｄ_１，１１ｄ_２を通じて例えばプリント基板３０上に実装されたＮＦＣチップ（不図示）に接続される。

金属層２１は平面視で巻芯部１１ａと重なるスリットＳＬを有している。スリットＳＬは、金属層２１内の第１の金属面２１Ａと第２の金属面２１Ｂとに挟まれた直線状の領域であり、Ｘ方向に一定の幅で真っ直ぐ延びて第１の金属面２１Ａと第２の金属面２１Ｂとを分断している。スリットＳＬの内部は例えば樹脂からなる。スリットＳＬの幅Ｗ_０は当該スリットＳＬの幅方向と同一方向（Ｙ方向）におけるアンテナコイル１２の内径部１２ｃの幅Ｗ_１よりも狭いため、スリットＳＬのエッジＥは平面視で巻芯部１１ａの内側領域、すなわちアンテナコイル１２の内径部１２ｃを横切っている。

本実施形態において、巻芯部１１ａの断面の概略形状は矩形であり、各コーナーはラウンド加工されている。矩形の長手方向はＸ方向と平行であり、スリットＳＬの延在方向に細長い形状となっている。この構成によれば、アンテナコイル１２の小型化を図りつつアンテナコイル１２の内径部１２ｃがスリットＳＬと平面視で重なる範囲をできるだけ広くすることができ、アンテナ特性をさらに高めることができる。

上記のように、携帯電子機器の筐体２０が金属層２１で構成されている場合には、携帯電子機器の耐久性やデザイン性を向上させることができるが、筐体２０内のアンテナコイル１２が金属層２１に覆われ、金属層２１のシールド効果によってアンテナコイル１２を用いた通信ができなくなる。しかし、本実施形態では金属層２１にスリットＳＬを設けることで磁束を金属層２１の外側に放射させることができ、さらに金属層２１を利用してアンテナコイル１２の指向性を改善することができる。

図３及び図４は、アンテナコイル１２に対する金属層２１及びスリットＳＬの作用を説明するための図であって、特に図３は略平面図、図４は略断面図である。

図３及び図４に示すように、アンテナコイル１２に反時計回りの電流Ｉａが流れるとき、アンテナコイル１２の内径部１２ｃを貫く磁束φ_１が発生し、この磁束φ_１の一部は第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂ間のスリットＳＬを通過して第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂの各々の周りを周回する。一方、磁束φ_１の他の一部は、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂに入射し、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂの各々にはこの磁束を打ち消そうとする方向の電流が流れ、この電流は縁端効果によりアンテナコイル１２の外側及び内側にそれぞれ発生する渦電流Ｉｂ，Ｉｃとなる。このうち、渦電流Ｉｃは磁束φ_２を発生させ、磁束φ_１をブーストするように働く。

図４に示すように、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂ間のスリットＳＬを通過した磁束φ_１は、スリットＳＬを内側とし、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂの外縁を外側とする経路を通って大きく迂回しようとする。その結果、磁束φ_１は大きなループを描き、リーダ・ライタのアンテナコイルと磁気的に結合する。特に、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂを含む金属層２１全体の平面サイズがアンテナコイル１２の平面サイズよりも大きいことから、より大きなループ磁界を生じさせることができ、アンテナコイル１２の指向性を広げることができる。

巻線型のアンテナコイル１２は指向性が鋭いので、コイル軸方向の通信距離を延ばすことは容易であるが、電波の広がりが小さく、近距離無線通信用アンテナとして使用することは難しかった。しかし、アンテナコイル１２が収容される筐体２０を構成する金属層２１を利用することで指向性を広げることができ、これにより近距離無線通信用アンテナとして使用することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置１は、アンテナコイル１２から発生する磁束を金属層２１の外側に放射させることができ、金属層２１の周りを大きく周回させることができる。したがって、巻線型のアンテナコイル１２の指向性を広げることができ、近距離無線通信に好適なアンテナ特性を実現することができる。

また本実施形態によれば、表面実装可能な巻線型のコイル部品１０を用いていることから、コイル部品１０の作製及び取り扱いが容易であり、またプリント基板３０上への表面実装が可能であり、アンテナコイル１２を筐体２０内に容易に設置することができる。さらに、プリント基板３０側に配置された第２の鍔部１１ｃが巻芯部１１ａと共にアンテナコイル１２と鎖交する磁束の磁路として機能することにより、アンテナコイル１２のインダクタンスを高めることができ、アンテナ特性を向上させることができる。

図５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略断面図である。

図５に示すように、このアンテナ装置２の特徴は、第１の鍔部１１ｂが第２の鍔部１１ｃよりも小さい点にある。すなわち、第１の鍔部１１ｂの外側側面Ｓｂの面積が第２の鍔部１１ｃの外側側面Ｓｃよりも小さくなっている。このような形状を実現するため、本実施形態においては、スリットＳＬの延在方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向における第１の鍔部１１ｂの幅Ｗ_２を当該Ｙ方向における第２の鍔部１１ｃの幅Ｗ_３よりも狭くしているが、Ｘ方向における第１の鍔部１１ｂの幅をＸ方向における第２の鍔部１１ｃの幅よりも狭くしてもよく、Ｙ方向およびＸ方向ともに第１の鍔部１１ｂの幅を第２の鍔部１１ｃの幅よりも狭くしてもよい。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第１の鍔部１１ｂの面積が大きい場合には、第１の鍔部１１ｂからスリットＳＬを通過して金属層２１の外側に放射される磁束φ_１の磁路の面積がスリットＳＬに対して広いため、より多くの磁束φ_１をスリットＳＬに送り込むことができない。また、第２の鍔部１１ｃが小さい場合には、プリント基板３０上のグランドパターンやプリント基板３０の周囲に存在するバッテリーパックなどの金属体の影響を受けやすくなり、アンテナ特性が低下するおそれがある。

しかし、本実施形態においては、第１の鍔部１１ｂが第２の鍔部１１ｃよりも小さく形成され、逆に第２の鍔部１１ｃは第１の鍔部１１ｂよりも大きく形成されているので、上記問題を解決することができ、第１の実施の形態よりもアンテナ特性をさらに向上させることができる。

図６は、本発明の第３の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。

図６に示すように、このアンテナ装置３の特徴は、第２の鍔部１１ｃの外側側面Ｓｂ（下面）側に第２の鍔部１１ｃよりも大きな磁性体シート３２を設けた点にある。磁性体シート３２のＹ方向の幅Ｗ_５は、第２の鍔部１１ｃのＹ方向の幅Ｗ_４よりも広い。磁性体シート３２のＸ方向の幅を第２の鍔部１１ｃのＸ方向の幅よりも広くしてもよい。

また本実施形態において、磁性コア１１の第２の鍔部１１ｃは磁性体シート３２を介してプリント基板３０の上面に接着固定されている。また第１の実施の形態ではアンテナコイル１２の一端１２ａ及び他端１２ｂが、磁性コア１１の第２の鍔部１１ｃに設けられた一対の信号端子１１ｄ_１，１１ｄ_２にそれぞれ接続されていたが、本実施形態ではアンテナコイル１２の一端及び他端が例えばプリント基板３０上の端子やＮＦＣチップに直接接続される。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施形態による磁性体シート３２は、第２の実施の形態における第２の鍔部１１ｃと同様の効果を奏することができる。すなわち、アンテナコイル１２の近くに存在するバッテリーパックなどの金属体の影響を抑えてアンテナコイル１２と鎖交する磁束の磁路を十分に確保することができ、アンテナ特性をさらに高めることができる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、磁性コア１１の巻芯部１１ａの断面形状の変形例を示す略断面図である。

図７（ａ）に示す巻芯部１１ａの断面形状は楕円形であり、また図７（ｂ）に示す巻芯部１１ａの断面形状は長円形状であり、どちらも巻芯部１１ａの断面形状はスリットの延在方向に細長い形状となっている。これらの構成によれば、巻芯部１１ａの断面形状が矩形である場合と同様に、アンテナコイル１２の小型化を図りつつアンテナコイル１２の内径部１２ｃがスリットＳＬと平面視で重なる範囲をできるだけ広くすることができる。したがって、アンテナ特性をさらに高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、磁性コア１１としてドラム型コアが用いられているが、本発明において磁性コアがドラム型であることは必須ではなく、巻線を巻回するための巻芯部を有するものであればどのような形状の磁性コアであってもよい。

１〜３ アンテナ装置
１０ コイル部品
１１ 磁性コア
１１ａ 巻芯部
１１ｂ 第１の鍔部
１１ｃ 第２の鍔部
１１ｄ_１，１１ｄ_２ 信号端子
１１ｅ_１，１１ｅ_２ ダミー端子
１２ アンテナコイル
１２ａ アンテナコイルの一端
１２ｂ アンテナコイルの他端
１２ｃ アンテナコイルの内径部
２０ 筐体
２１ 金属層
２１Ａ 第１の金属面
２１Ｂ 第２の金属面
３０ プリント基板
３１ａ ランド
３２ 磁性体シート
Ｅ エッジ
Ｉａ 電流
Ｉｂ 渦電流
Ｉｃ 渦電流
Ｓｂ 第１の鍔部の外側側面
Ｓｃ 第２の鍔部の外側側面
ＳＬ スリット

Claims (7)

1. 巻芯部を有する磁性コアと、
   前記巻芯部に巻回された巻線からなるアンテナコイルと、
   前記アンテナコイルのコイル軸方向と交差する金属層とを備え、
   前記金属層は、スリットを有し、
   前記スリットのエッジは、平面視で前記アンテナコイルの内径部を横切っていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記磁性コアは、前記巻芯部の一端及び他端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部をさらに有する、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の鍔部は前記第２の鍔部よりも前記金属層側に位置し、
   前記コイル軸と直交する方向における前記第１の鍔部の幅は、当該方向における前記第２の鍔部の幅よりも狭い、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２の鍔部の前記コイル軸と直交する側面に設けられた磁性体シートをさらに備え、前記磁性体シートの平面サイズは前記側面の平面サイズよりも大きい、請求項２又は３に記載のアンテナ装置。
5. 前記コイル軸と直交する方向における前記巻芯部の断面形状は、前記スリットの延在方向に細長い、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナコイルは携帯電子機器の筐体内に設けられており、
   前記金属層は、前記筐体の少なくとも一部である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記筐体内に設けられたプリント基板をさらに備え、
   前記アンテナコイル及び前記磁性コアは前記プリント基板上に表面実装されたコイル部品を構成している、請求項６に記載のアンテナ装置。