JP2017069737A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】通信距離や指向性を拡大することが可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】磁性体のそれぞれ異なる部分に巻回されたソレノイドコイルC1〜C4を備え、ソレノイドコイルC1〜C4を構成する導体パターン31〜35によってスパイラルコイルC0が形成される。本発明によれば、ソレノイドコイルC1〜C4を構成する導体パターン31〜35によってスパイラルコイルC0が形成されることから、小型であっても多くの磁束を捕捉することが可能となる。これにより、通信距離や指向性を拡大することが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】磁性体のそれぞれ異なる部分に巻回されたソレノイドコイルC1〜C4を備え、ソレノイドコイルC1〜C4を構成する導体パターン31〜35によってスパイラルコイルC0が形成される。本発明によれば、ソレノイドコイルC1〜C4を構成する導体パターン31〜35によってスパイラルコイルC0が形成されることから、小型であっても多くの磁束を捕捉することが可能となる。これにより、通信距離や指向性を拡大することが可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明はアンテナ装置に関し、特に、ソレノイドコイルとスパイラルコイルを含むアンテナ装置に関する。
近年、スマートフォン等の携帯無線機器には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装置が搭載されている。
この種のアンテナ装置としては、例えば特許文献1に記載されたアンテナ装置が知られている。特許文献1に記載されたアンテナ装置は、平面導体の周縁部と平面視で重なるよう、表面実装型のコイルアンテナを複数個実装した構成を有している。これにより、平面導体がブースターアンテナとして機能するとされている。
しかしながら、特許文献1に記載のアンテナ装置は、広い平面導体が埋め込まれた基板を使用する必要があるため、基板の利用効率が悪化する。また、小型のコイルアンテナを分散配置する構成であるため、コイルアンテナを通過する磁束が不十分であり、通信距離や指向性を十分に拡大することが難しいという問題もある。
したがって、本発明は、多くの磁束を捉えることにより、通信距離や指向性を拡大することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明によるアンテナ装置は、磁性体と、前記磁性体のそれぞれ異なる部分に巻回された複数のソレノイドコイルとを備え、前記複数のソレノイドコイルを構成する導線によってスパイラルコイルの少なくとも一部が形成されることを特徴とする。
本発明によれば、ソレノイドコイルを構成する導線によってスパイラルコイルが形成されることから、小型であっても多くの磁束を捕捉することが可能となる。これにより、通信距離や指向性を拡大することが可能となる。
本発明において、前記磁性体は平面シート状であり、前記複数のソレノイドコイルは前記磁性体のそれぞれ異なる平面位置に巻回されていることが好ましい。これによれば、薄型化を実現することが可能となる。
この場合、前記磁性体は前記スパイラルコイルの内径部を定義する多角形領域を有し、前記複数のソレノイドコイルは前記多角形領域のそれぞれ対応する2つの頂点を結ぶ位置に配置されていることが好ましい。これによれば、より多くの磁束を捕捉することが可能となる。ここで、多角形領域が四角形であれば、ソレノイドコイルの数は4個となる。また、前記複数のソレノイドコイルは前記多角形領域から見て互いに巻回方向が同じであっても構わないし、前記複数のソレノイドコイルの少なくとも2つは前記多角形領域から見て互いに巻回方向が逆であっても構わない。
本発明において、前記磁性体は金属粉を含有する磁性樹脂シートであることが好ましい。これによれば、磁性樹脂シートを基板として用いることが可能となる。この場合、前記複数のソレノイドコイルのそれぞれは、前記磁性樹脂シートの一方の主面に形成された第1導体パターンと、前記磁性樹脂シートの他方の主面に形成された第2導体パターンと、前記磁性樹脂シートを貫通して設けられ、前記第1導体パターンの端部と前記第2導体パターンの端部を接続するスルーホール導体とを含むことが好ましい。これによれば、磁性樹脂シートの表裏を用いてソレノイドコイルとスパイラルコイルを構成することが可能となる。
この場合、前記複数のソレノイドコイルのぞれぞれは、前記第1導体パターンの数と前記第2導体パターンの数が相違することが好ましい。これによれば、より数の多いパターンがスパイラルコイルにおいて優勢となる。
このように、本発明によれば、通信距離や指向性が拡大された高効率なアンテナ装置を提供することが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態によるアンテナ装置10Aの構成を示す略平面図である。また、図2(a)は図1に示すA−A線に沿った略断面図であり、図2(b)は図1に示すB−B線に沿った略断面図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Aは、磁性樹脂シート20Aと、磁性樹脂シート20Aの一方の主面21に形成された導体パターン31〜35と、磁性樹脂シート20Aの他方の主面22に形成された導体パターン41〜44とを備えている。
磁性樹脂シート20Aは、導体パターン31〜35、41〜44を支持する基板として機能するとともに、磁路として機能する平面シート状の磁性体であり、磁性金属粉を樹脂バインダ中に分散させた磁性金属粉含有樹脂をシート状に加工したものである。磁性金属粉には、パーマロイ(Fe−Ni合金)、スーパーパーマロイ(Fe−Ni−Mo合金)、センダスト(Fe−Si−Al合金)、Fe−Si合金、Fe−Co合金、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Si合金等を用いることができる。また樹脂バインダには、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルフィド、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、ポリアリレート、シリコン樹脂、ジアリルフタレート、ポリイミド等を用いることができる。磁性金属粉は、アスペクト比の大きな扁平形状であることが好ましい。アスペクト比の大きな扁平金属粉を用いれば、シートの厚み方向に扁平金属粉が重なるため、磁性樹脂シートの面方向の実効的な透磁率を高めることができる。
図1及び図2(b)に示すように、導体パターン31〜35の所定の端部と、導体パターン41〜44の所定の端部は、磁性樹脂シート20Aを貫通するスルーホール導体THによって接続されている。例えば、導体パターン41の一端はスルーホール導体THによって導体パターン31の一端に接続され、導体パターン41の他端はスルーホール導体THによって導体パターン32の一端に接続される。
図1に示すように、導体パターン31〜34はX方向に延在する部分を有しており、所定の端部同士が導体パターン41又は43によって接続される。例えば、導体パターン31の右側端部は、導体パターン41を介して、導体パターン32の左側端部に接続される。また、導体パターン33の左側端部は、導体パターン43を介して、導体パターン34の右側端部に接続される。
さらに、導体パターン32〜35はY方向に延在する部分を有しており、所定の端部同士が導体パターン42又は44によって接続される。例えば、導体パターン32の下側端部は、導体パターン42を介して、導体パターン33の上側端部に接続される。また、導体パターン34の上側端部は、導体パターン44を介して、導体パターン35の下側端部に接続される。
そして、導体パターン31と導体パターン35には、RF回路50が接続される。
このような構造により、1つのスパイラルコイルC0と、4つのソレノイドコイルC1〜C4が形成される。スパイラルコイルC0は、四角形の領域Rを内径部とする平面コイルであり、領域Rを構成する4つの辺L1〜L4に沿ってソレノイドコイルC1〜C4がそれぞれ設けられる。
ソレノイドコイルC1は、X方向に延在する導体パターン31,32,41及びこれらを接続するスルーホール導体THによって構成され、磁性樹脂シート20Aに1周半巻回されている。巻回方向は、導体パターン31の左側端部を始点とした場合、領域Rから見て時計回りである。
ソレノイドコイルC2は、Y方向に延在する導体パターン32,33,42及びこれらを接続するスルーホール導体THによって構成され、磁性樹脂シート20Aに1周半巻回されている。巻回方向は、導体パターン32の上側端部を始点とした場合、領域Rから見て時計回りである。
ソレノイドコイルC3は、X方向に延在する導体パターン33,34,43及びこれらを接続するスルーホール導体THによって構成され、磁性樹脂シート20Aに1周半巻回されている。巻回方向は、導体パターン33の右側端部を始点とした場合、領域Rから見て時計回りである。
ソレノイドコイルC4は、Y方向に延在する導体パターン34,35,44及びこれらを接続するスルーホール導体THによって構成され、磁性樹脂シート20Aに1周半巻回されている。巻回方向は、導体パターン34の下側端部を始点とした場合、領域Rから見て時計回りである。
このように、4つのソレノイドコイルC1〜C4は、領域Rから見て互いに巻回方向が同じである。このため、RF回路50によって導体パターン31から導体パターン35に電流を流すと、4つのソレノイドコイルC1〜C4によって、領域Rの内側から外側に向けて磁界が発生する。これにより、磁束が平面方向に大きく広がることになる。
さらに、導体パターン31〜35に流れる電流の方向は、平面的に見ていずれも時計回りであることから、これらによってスパイラルコイルC0が形成される。これにより、模式図である図3に示すように、スパイラルコイルC0によって集められた磁束φが平面方向に大きく広がることになる。したがって、本実施形態によるアンテナ装置10AをRFIDシステムに用いれば、スパイラルコイルC0によって垂直方向(Z方向)における指向性が高められるとともに、4つのソレノイドコイルC1〜C4によって水平方向(XY平面方向)へ指向性が広げられることから、良好な通信を行うことが可能な角度が広くなる。
但し、裏面側の導体パターン41〜44については、流れる電流の方向が平面的に見ていずれも反時計回りであることから、スパイラルコイルC0によって生成される磁束を打ち消す方向に作用する。しかしながら、各辺L1〜L4に沿って設けられた導体パターンの本数はいずれも3本であり、このうち2本には時計回りに電流が流れ、残りの1本に反時計回りに電流が流れるため、時計回りに流れる電流が優勢となり、スパイラルコイルC0として正しく機能する。
このように、本実施形態によるアンテナ装置10Aは、1つのスパイラルコイルC0と4つのソレノイドコイルC1〜C4を備えていることから、指向性を大きく広げることが可能となる。しかも、ソレノイドコイルC1〜C4を構成する導体パターンによってスパイラルコイルが形成されることから、ソレノイドコイルとスパイラルコイルを別個に形成する場合と比べて、小型化を実現することが可能となる。
また、本実施形態においては、磁性樹脂シート20Aに導体パターン31〜35、41〜44を形成していることから、特許文献1のアンテナ装置のように表面実装型のコイル部品が不要であり、部品点数を削減することが可能となる。
尚、上述したアンテナ装置10Aにおいては、ソレノイドコイルC1〜C4がいずれも1周半巻回された導線によって構成されているが、巻回数がこれに限定されるものではない。例えば、図4に示す変形例によるアンテナ装置10A'のように、導体パターン36〜39、45〜48を追加することによって、2周半のソレノイドコイルC1〜C4を構成することも可能であるし、それ以上の巻回数としても構わない。
また、ソレノイドコイルC1〜C4の巻回数が互いに同じであることは必須でなく、一部又は全部の巻回数が相違していても構わない。例えば、ソレノイドコイルC1、C3の巻回数が2周半であり、ソレノイドコイルC2、C4の巻回数が1周半であっても構わない。つまり、求められる特性や条件に応じて巻回数を設定すればよい。
図5は、本発明の第2の実施形態によるアンテナ装置10Bの構成を示す略断面図である。
図5に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Bは、導体パターン31〜35が樹脂基板61に形成され、導体パターン41〜44が別の樹脂基板62に形成されている点において、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと相違している。樹脂基板61、62の材料としては、PET樹脂などを用いることができる。導体パターン31〜35、41〜44の平面形状及びレイアウトについては、図1に示した平面形状及びレイアウトと同じであり、且つ、その接続関係も同じである。
本実施形態においては、磁性樹脂シート20Aの代わりにフェライトなどからなる平面シート状の磁性体20Bが用いられており、この磁性体20Bが樹脂基板61、62によって挟まれた構造を有している。
このような構成であっても、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと同様の効果を得ることができる。また、本実施形態においては、磁性体20Bを基板として使用しないため、任意の磁性材料を用いることが可能となる。
図6は、第2の実施形態の変形例によるアンテナ装置10B'の構成を示す略断面図である。
図6に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10B'は、単一の樹脂基板60を用い、これを折り曲げて使用している点において、上述した第2の実施形態によるアンテナ装置10Bと相違している。その他の点は、第2の実施形態によるアンテナ装置10Bと同一である。このように、単一の樹脂基板60を用いた場合であっても、第2の実施形態によるアンテナ装置10Bと同様の効果を得ることができる。
図7は、本発明の第3の実施形態によるアンテナ装置10Cの構成を示す略平面図である。
図7に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Cは、ソレノイドコイルC1〜C4の外周にスパイラル状の導体パターン91が追加されている点において、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと相違している。導体パターン91は1ターンのスパイラルを構成し、スルーホール導体TH及び裏面の導体パターン92を介して導体パターン35に接続されている。
このようなスパイラル状の導体パターン91を追加すれば、インダクタンスが増大するため、通信距離をより拡大することが可能となる。追加するスパイラル状の導体パターンのターン数については特に限定されず、2ターン以上であっても構わないし、1ターン未満(例えば半ターン)であっても構わない。また、追加するスパイラル状の導体パターンをソレノイドコイルC1〜C4の外周部に形成することも必須でなく、内周部に形成しても構わない。
図8は、本発明の第4の実施形態によるアンテナ装置10Dの構成を示す略平面図である。
図8に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Dは、ソレノイドコイルC3、C4が削除されている点において、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと相違している。つまり、ソレノイドコイルC1,C2を構成する要素については第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと同一であるが、ソレノイドコイルC3,C4を構成する要素である導体パターン34、35、43、44が削除されており、その代わりに、導体パターン33がそれ自体、スパイラル部分33sを有している。スパイラル部分33sの内周端は、スルーホール導体TH及び裏面の導体パターン49を介して、導体パターン30に接続されている。導体パターン30は、RF回路50に接続される。
このように、本発明においては、スパイラルコイルC0の内径部となる領域Rの全ての辺L1〜L4に沿ってソレノイドコイルC1〜C4を形成することは必須でなく、一部の辺(本実施形態では辺L1、L2)のみに沿ってソレノイドコイル(C1、C2)を形成しても構わない。この場合、ソレノイドコイルの数が減るため、磁束の平面方向における広がりは小さくなるが、スパイラルコイルによる磁束を打ち消す部分が少なくなるため、スパイラルコイルの特性を高めることが可能となる。
図9は、本発明の第5の実施形態によるアンテナ装置10Eの構成を示す略平面図である。
図9に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Eは、磁性樹脂シート20Aの表面側に形成された導体パターン71〜77と、磁性樹脂シート20Aの裏面側に形成された導体パターン81〜86を備えており、これらの対応する端部がスルーホール導体THを介して接続された構成を有している。これら導体パターン71〜77、81〜86によって形成されるソレノイドコイルC1〜C4のうち、ソレノイドコイルC1、C3の構成については第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと実質的に同じである。これに対し、ソレノイドコイルC2、C4については、巻回方向が逆(領域Rから見て反時計回り)である。
このため、RF回路50によって電流を流すと、図10に示すように、ソレノイドコイルC1、C3によって生じる磁束φは領域Rの内側から外側に向かい、ソレノイドコイルC2、C4によって生じる磁束φは領域Rの外側から内側に向かう。ソレノイドコイルC1内を通過する磁束とソレノイドコイルC3内を通過する磁束の方向は互いに逆となり、ソレノイドコイルC2内を通過する磁束とソレノイドコイルC4内を通過する磁束の方向は互いに逆となる。このため、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aとは異なる指向性を得ることが可能となる。
図11は、第5の実施形態の変形例によるアンテナ装置10E'の構成を示す略平面図である。
図11に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10E'は、磁性樹脂シート20Aの表面側に形成された導体パターン111〜117と、磁性樹脂シート20Aの裏面側に形成された導体パターン121〜126を備えており、これらの対応する端部がスルーホール導体THを介して接続された構成を有している。これら導体パターン111〜117、121〜126によって形成されるソレノイドコイルC1〜C4のうち、ソレノイドコイルC2、C3については領域Rから見て時計回りであり、ソレノイドコイルC1、C4については領域Rから見て反時計回りである。
このため、RF回路50によって電流を流すと、図12に示すように、ソレノイドコイルC2、C3によって生じる磁束φは領域Rの外側から内側に向かい、ソレノイドコイルC1、C4によって生じる磁束φはは領域Rの内側から外側に向かう。ソレノイドコイルC2内を通過する磁束とソレノイドコイルC4内を通過する磁束の方向は互いに同じなり、ソレノイドコイルC1内を通過する磁束とソレノイドコイルC3内を通過する磁束の方向は互いに同じなる。このため、アンテナ装置10A,10Eとは異なる指向性を得ることが可能となる。特に、本実施形態によるアンテナ装置10E'は、コイル軸がリーダ・ライタのコイル軸とずれている場合であっても、磁気結合しやすいという利点を有する。これは、コイル軸が互いにずれている場合であっても、図10に示したアンテナ装置10Eと比べ、通信に寄与する磁束(有効磁束)を打ち消す磁束が生じにくくなるからである。
このように、本発明においては、領域Rから見た巻回方向が全てのソレノイドコイルにおいて同一であることは必須でなく、領域Rから見た巻回方向が一部のソレノイドコイルにおいて逆方向であっても構わない。
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、上述した各実施形態では、スパイラルコイルC0の形状が四角形であったが、本発明がこれに限定されるものではなく、三角形、六角形、八角形など、四角形以外の多角形形状であっても構わないし、円形や楕円形であっても構わない。四角形以外の多角形形状である場合も、スパイラルコイルの内径部となる多角形領域のそれぞれ対応する2つの頂点を結ぶ位置に、2以上のソレノイドコイルを配置すればよい。
また、上述した各実施形態では平面シート状の磁性体を用いているが、本発明がこれに限定されるものではなく、任意の形状を有する磁性体のそれぞれ異なる部分に導線を巻回することによって、複数のソレノイドコイルを構成すればよい。
10A,10A'10B,10B',10C,10D,10E,10E' アンテナ装置
20A 磁性樹脂シート
20B 磁性体
21 磁性樹脂シートの一方の主面
22 磁性樹脂シートの他方の主面
30〜39,41〜49,71〜77,81〜86,91,92,111〜117,121〜126 導体パターン
50 RF回路
60〜62 樹脂基板
C0 スパイラルコイル
C1〜C4 ソレノイドコイル
L1〜L4 辺
R 多角形領域
TH スルーホール導体
φ 磁束
20A 磁性樹脂シート
20B 磁性体
21 磁性樹脂シートの一方の主面
22 磁性樹脂シートの他方の主面
30〜39,41〜49,71〜77,81〜86,91,92,111〜117,121〜126 導体パターン
50 RF回路
60〜62 樹脂基板
C0 スパイラルコイル
C1〜C4 ソレノイドコイル
L1〜L4 辺
R 多角形領域
TH スルーホール導体
φ 磁束
Claims (9)
- 磁性体と、
前記磁性体のそれぞれ異なる部分に巻回された複数のソレノイドコイルと、を備え、
前記複数のソレノイドコイルを構成する導線によってスパイラルコイルの少なくとも一部が形成されることを特徴とするアンテナ装置。 - 前記磁性体は平面シート状であり、
前記複数のソレノイドコイルは、前記磁性体のそれぞれ異なる平面位置に巻回されていることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記磁性体は、前記スパイラルコイルの内径部を定義する多角形領域を有し、
前記複数のソレノイドコイルは、前記多角形領域のそれぞれ対応する2つの頂点を結ぶ位置に配置されていることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。 - 前記多角形領域は四角形であり、前記複数のソレノイドコイルの数は4個であることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のソレノイドコイルは、前記多角形領域から見て互いに巻回方向が同じであることを特徴とする請求項3又は4に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のソレノイドコイルの少なくとも2つは、前記多角形領域から見て互いに巻回方向が逆であることを特徴とする請求項3又は4に記載のアンテナ装置。
- 前記磁性体は、金属粉を含有する磁性樹脂シートであることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のソレノイドコイルのそれぞれは、前記磁性樹脂シートの一方の主面に形成された第1導体パターンと、前記磁性樹脂シートの他方の主面に形成された第2導体パターンと、前記磁性樹脂シートを貫通して設けられ、前記第1導体パターンの端部と前記第2導体パターンの端部を接続するスルーホール導体とを含むことを特徴とする請求項7に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のソレノイドコイルのぞれぞれは、前記第1導体パターンの数と前記第2導体パターンの数が相違することを特徴とする請求項8に記載のアンテナ装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109286060A (zh) * | 2017-07-20 | 2019-01-29 | 三星电机株式会社 | 天线模块以及具有该天线模块的电子装置 |
CN111952052A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-17 | 国网浙江省电力有限公司丽水供电公司 | 一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置与方法 |
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2015
- 2015-09-30 JP JP2015192447A patent/JP2017069737A/ja active Pending
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