JP2017139652A - アンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器 - Google Patents

Abstract

【課題】平面コイルパターンを覆う金属層の形状に制約が少なく、且つ、磁束をより大きく広げることが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】平面コイルパターン２０及びこれを覆う金属層３０を備える。平面コイルパターンに囲まれる内径領域４０は、端部領域４１，４２及び中央領域を含み、金属層３０は、端部領域３１の一部と重なるスリット３１と、端部領域３２の一部と重なるスリット３２を含む。本発明によれば、内径領域４０の長手方向における両側にそれぞれ独立したスリットが割り当てられていることから、アンテナ装置から放射される磁束を大きく広げることができるとともに、磁束密度を高めることが可能となる。しかも、内径領域４０とほぼ同サイズの開口部を金属層３０に設ける必要がないことから、金属層３０の形状に制約が少なくなる。【選択図】図２

Description

本発明はアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器に関し、特に、近距離無線通信（Near Field Communication）用として好適なアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器に関するものである。

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１〜３に記載されたアンテナ装置が知られている。

特許文献１〜３に記載されたアンテナ装置は、平面コイルパターン及びこれを覆う金属層を備え、平面コイルパターンの内径領域が金属層の開口部と重なるようレイアウトされている。

特許第４６８７８３２号公報 特開２００２−１１１３６３号公報 特開２０１３−１６２１９５号公報

特許文献１〜３に記載されたアンテナ装置においては、平面コイルパターンの内径領域とほぼ同サイズの開口部を金属層に設ける必要がある。しかしながら、近年においては、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、金属製の筐体を用いた携帯無線機器が増えている。このような場合、アンテナ装置を構成する金属層が筐体の一部となることから、金属層に開口部を自由に設けることができないという問題があった。

また、アンテナ装置から放射される磁束をより大きく広げるためには、平面コイルパターンの平面形状を正方形ではなく細長い長方形とすることが考えられる。しかしながら、この場合、特許文献１〜３に記載されたアンテナ装置では、非常に長い開口部を金属層に設ける必要があり、特に金属層が筐体の一部を構成している場合には、このような開口部を設けることは現実的ではない。

したがって、本発明の目的は、平面コイルパターンを覆う金属層の形状に制約が少なく、且つ、磁束をより大きく広げることが可能なアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器を提供することである。

本発明によるアンテナ装置は、平面コイルパターンと、前記平面コイルパターンを覆う金属層と、を備え、前記平面コイルパターンに囲まれる内径領域は、第１の方向を長手方向とする中央領域と、前記中央領域から見て前記第１の方向の一方側に位置する第１の端部領域と、前記中央領域から見て前記第１の方向の他方側に位置する第２の端部領域とを含み、前記金属層は、前記第１の端部領域の一部と重なる第１のスリットと、前記第１のスリットとは独立して設けられ、前記第２の端部領域の一部と重なる第２のスリットとを含むことを特徴とする。

また、本発明による携帯無線機器は、上記のアンテナ装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、内径領域の長手方向における両側にそれぞれ独立したスリットが割り当てられていることから、アンテナ装置から放射される磁束を大きく広げることができるとともに、磁束密度を高めることが可能となる。このため、近距離無線通信用のアンテナとして用いれば、従来に比べて通信距離を拡大することが可能となる。しかも、内径領域とほぼ同サイズの開口部を金属層に設ける必要がないことから、金属層が携帯無線機器の筐体の一部を構成する場合であっても、金属層の形状に制約が少なくなる。

本発明において、前記中央領域、前記第１の端部領域の残りの部分及び前記第２の端部領域の残りの部分が前記金属層に覆われていることが好ましい。これによれば、大面積の金属層を用いることができることから、金属層が携帯無線機器の筐体の一部を構成する場合において特に好適である。

この場合、前記内径領域の前記第１の方向と交差する第２の方向における幅は、前記第１及び第２の端部領域よりも前記中央領域の方が狭いことが好ましい。これによれば、平面コイルパターンを構成する導体パターンのうち、中央領域を挟む部分の磁束が打ち消されることから、中央領域を覆う金属層に生じる渦電流を低減することができる。

さらにこの場合、前記第１及び第２のスリットは前記第１の方向に延在し、前記第１及び第２のスリットの前記第２の方向における幅は、前記第１及び第２の端部領域の前記第２の方向における幅よりも狭いことが好ましい。これによれば、アンテナ装置から放射される磁束を強めることが可能となる。

本発明において、前記第１のスリットは前記第１の端部領域を横断するように設けられ、前記第２のスリットは前記第２の端部領域を横断するように設けられていても構わない。これによれば、第１及び第２の端部領域を覆う金属層がいずれも２つに分割されることから、金属層によって磁束を強める効果が大きくなる。

本発明において、前記金属層は前記中央領域と重なる第３のスリットをさらに含んでいても構わない。これによれば、中央領域からも磁束を放射することが可能となる。

このように、本発明によれば、平面コイルパターンを覆う金属層の形状に制約が少なく、且つ、磁束をより大きく広げることが可能なアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａを備える携帯無線機器１００の構成を示す略斜視図である。 図２は、アンテナ装置１０Ａの構成を透過的に示す平面図である。 図３（ａ）は図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３（ｂ）は図２に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図４は、アンテナ装置１０Ａの部分拡大図である。 図５は、第２の実施形態によるアンテナ装置１０Ｂの構成を透過的に示す平面図である。 図６は、第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃの構成を透過的に示す平面図である。 図７は、第４の実施形態によるアンテナ装置１０Ｄの構成を透過的に示す平面図である。 図８は、第５の実施形態によるアンテナ装置１０Ｅの構成を透過的に示す平面図である。 図９は、第６の実施形態によるアンテナ装置１０Ｆの構成を透過的に示す平面図である。 図１０は、第７の実施形態によるアンテナ装置１０Ｇの構成を透過的に示す平面図である。 図１１は、第８の実施形態によるアンテナ装置１０Ｈの構成を透過的に示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａを備える携帯無線機器１００の構成を示す略斜視図である。

図１に示す携帯無線機器１００は、例えばスマートフォンであり、薄型の箱状筐体によって構成されている。図１は、携帯無線機器１００を背面側から見た図であり、ディスプレイなどが設けられている前面は下方を向いている。携帯無線機器１００の筐体は樹脂と金属との組み合わせからなり、背面の広い範囲を構成する中央部１０１は、主に金属層３０によって構成されている。また、中央部１０１から見て長手方向（ｙ方向）の両側は、樹脂カバー層１０２，１０３によって構成されている。このように、筐体の背面の広い範囲が金属層３０によって構成されているのは、主に、筐体の機械的強度、磁気シールド特性、デザイン性等の向上のためである。

携帯無線機器１００はスパイラル状の平面コイルパターン２０を内蔵している。平面コイルパターン２０の大部分は、筐体を構成する金属層３０によって覆われているため、実際には外部から平面コイルパターン２０を視認することはできない。図１に示すように、金属層３０には第１及び第２のスリット３１，３２が設けられている。スリット３１は、ｙ方向に延在する金属層３０のエッジＬ１の一部をｘ方向に切り欠いた形状を有し、スリット３２は、ｙ方向に延在する金属層３０のエッジＬ２の一部をｘ方向に切り欠いた形状を有している。スリット３１，３２は互いに独立しており、したがって、金属層３０がスリット３１，３２によって分断されることはない。

図１に示すように、平面コイルパターン２０は、一部がスリット３１，３２と重なるようにレイアウトされており、スリット３１，３２と重なる部分については平面コイルパターン２０が金属層３０から露出した状態となっている。但し、スリット３１，３２は樹脂などによって埋め込まれているため、平面コイルパターン２０が筐体から露出することはない。

そして、平面コイルパターン２０及びこれを覆う金属層３０は、本実施形態によるアンテナ装置１０Ａを構成する。平面コイルパターン２０は、携帯無線機器１００に内蔵された図示しないＲＦ回路に接続される。これにより、本実施形態によるアンテナ装置１０Ａは、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いることができる。

図２は、アンテナ装置１０Ａの構成を透過的に示す平面図である。また、図３（ａ）は図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３（ｂ）は図２に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

本実施形態においては、平面コイルパターン２０の平面形状がｘ方向を長手方向とする矩形であり、そのターン数は例えば４ターンである。したがって、平面コイルパターン２０を構成する導体パターンは、ｘ方向に延在する部分とｙ方向に延在する部分を有し、ｘ方向に延在する部分の方がｙ方向に延在する部分よりも長い。図２に示す端子２１，２２は、図示しないＲＦ回路に接続される端子である。このうち、端子２１は平面コイルパターン２０の外周端に接続され、端子２２は導体パターンを横切る横断部２０ａを介して平面コイルパターン２０の内周端に接続される。図３に示すように、平面コイルパターン２０はＰＥＴ樹脂などからなる単一の基板５０上に形成されており、導体パターンを横切る横断部２０ａは例えば基板５０の裏面に形成される。

図２に示すように、平面コイルパターン２０に囲まれる内径領域４０は、ｘ方向を長手方向とする細長い矩形状を有している。ここで、内径領域４０とは、平面コイルパターン２０の最内周ターンによって囲まれるｘｙ平面を指す。ここで、内径領域４０のうち、ｘ方向における一方の端部（図２における左側）に位置する部分を第１の端部領域４１、ｘ方向における他方の端部（図２における右側）に位置する部分を第２の端部領域４２、第１及び第２の端部領域４１，４２に挟まれた領域を中央領域４３と定義した場合、本実施形態においては、第１の端部領域４１の一部がスリット３１と重なり、第２の端部領域４２の一部がスリット３２と重なる。第１の端部領域４１の残りの部分、第２の端部領域４２の残りの部分、並びに、中央領域４３の全面については、金属層３０によって覆われている。

本実施形態のように、内径領域４０が単純な矩形である場合、中央領域４３と端部領域４１，４２の境界となる位置に形状的な特徴点は存在しないが、中央領域４３については少なくともｘ方向が長手方向となるよう定義される。

図２に示すように、スリット３１，３２のｙ方向における幅は、端部領域４１，４２のｙ方向における幅よりも狭い。このため、端部領域４１，４２は、スリット３１，３２から見てｙ方向における両側が金属層３０によって覆われた状態となる。そして、端部領域４１，４２のうち、金属層３０によって覆われた部分は、平面コイルパターン２０によって生じる磁束を強めるアクセラレータとして機能する。また、金属層３０のうち、平面コイルパターン２０の外側に位置する部分は、平面コイルパターン２０によって生じる磁束を広げる役割を果たす。

図４は、アンテナ装置１０Ａの部分拡大図であり、平面コイルパターン２０に電流を流した場合の機能を説明するための図である。

図４に示すように、平面コイルパターン２０に反時計回り（左回り）の電流Ｉ１を流した場合、これによって生じる磁束φ１（図３参照）は、金属層３０を大きく迂回しながら周回する。これにより磁束の届く範囲が広がるため、通信距離を拡大することができるとともに、指向性を広げることができる。

一方、金属層３０には、磁束φ１を打ち消す方向に電流が流れる。具体的には、平面コイルパターン２０に囲まれた内径領域４０においては、図４に示す電流Ｉ２が流れ、平面コイルパターン２０の外側の領域においては、図４に示す電流Ｉ３が流れる。このうち、電流Ｉ２は、スリット３１，３２を通過する磁束φ１と同じ方向の磁束φ２を発生させるためアクセラレータとして機能し、通信距離をより拡大することができる。本実施形態では、スリット３１を構成する３つのエッジＬ１１〜Ｌ１３からそれぞれ同方向の磁束φ２が発生する。エッジＬ１１，Ｌ１２から発生する磁束φ２については図３（ａ）に図示され、エッジＬ１３から発生する磁束φ２については図３（ｂ）に図示されている。

そして、本実施形態においては、平面コイルパターン２０の長手方向における両端部にスリット３１，３２が位置していることから、磁束密度の高い領域が２箇所に分散される。これにより、磁束の広がりが非常に大きくなることから、通信距離を拡大することができるとともに、指向性を広げることができる。尚、このような効果は、２個以上の平面コイルパターンをそれぞれ異なる平面位置に配置することによっても得られるものと予想されるが、この場合、部品点数が増大するだけでなく、複数の平面コイルパターン間を接続する配線なども必要となる。これに対し、本実施形態によるアンテナ装置１０Ａは、共通の基板５０に形成された単一の平面コイルパターン２０によって構成されていることから、上記の問題も生じない。

したがって、本実施形態によるアンテナ装置１０Ａを近距離無線通信用のアンテナとして用いれば、構造を複雑化させることなく、従来に比べて通信距離を拡大することが可能となる。しかも、金属層３０に大きな開口部を設ける必要がないことから、金属層３０を携帯無線機器１００の筐体の一部として用いる場合に、デザイン上の制約などが少なくなる。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態によるアンテナ装置１０Ｂの構成を透過的に示す平面図である。

第２の実施形態によるアンテナ装置１０Ｂは、中央領域４３のｙ方向における幅が縮小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。その他の構成については基本的に第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態においては平面コイルパターン２０を構成する導体パターンのうち、ｘ方向に延在するパターンＸ１，Ｘ２の中央部が互いに近接しており、その結果、中央領域４３のｙ方向における幅が非常に狭くなっている。パターンＸ１，Ｘ２の中央部とは、中央領域４３のｘ方向における幅を規定する部分である。特に限定されるものではないが、パターンＸ１の最内周ターンとパターンＸ２の最内周ターンの距離は、隣接する配線パターン間距離と同程度まで狭くすることが好ましい。端部領域４１，４２の形状については第１の実施形態と同じである。

このような構成とすることにより、パターンＸ１に流れる電流によって発生する磁束とパターンＸ２に流れる電流によって発生する磁束が互いに打ち消し合うことから、金属層３０のうち中央領域４３と重なる部分にて生じる渦電流が低減する。これにより、第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａよりも高いアンテナ効率を得ることが可能となる。

＜第３の実施形態＞
図６は、第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃの構成を透過的に示す平面図である。

第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃは、パターンＸ２が直線的である点において、第２の実施形態によるアンテナ装置１０Ｂと相違している。その他の構成については基本的に第２の実施形態によるアンテナ装置１０Ｂと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。このような構成においても、パターンＸ１に流れる電流によって発生する磁束とパターンＸ２に流れる電流によって発生する磁束が互いに打ち消し合うことから、金属層３０のうち中央領域４３と重なる部分にて生じる渦電流が低減する。これにより、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可能となる。

＜第４の実施形態＞
図７は、第４の実施形態によるアンテナ装置１０Ｄの構成を透過的に示す平面図である。

第４の実施形態によるアンテナ装置１０Ｄは、スリット３１が端部領域４１を超えて延在し、スリット３２が端部領域４２を超えて延在している点において、第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃと相違している。その他の構成については基本的に第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態においてはスリット３１，３２のｘ方向における長さが延長されている。スリット３１については、端部領域４１を囲む導体パターンのうちｙ方向に延在するパターンｙ１を横断するよう、ｘ方向における長さが拡大されている。スリット３２については、端部領域４２を囲む導体パターンのうちｙ方向に延在するパターンｙ２を横断するよう、ｘ方向における長さが拡大されている。その結果、金属層３０のうち端部領域４１を覆う部分については、スリット３１によってｙ方向に２つに分断され、金属層３０のうち端部領域４２を覆う部分については、スリット３２によってｙ方向に２つに分断される。

このような構成とすることにより、図４を用いて説明した電流Ｉ２の流れがよりスムーズとなることから、磁束φ２の密度がより高くなる。これにより、第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃよりもさらに高いアンテナ効率を得ることが可能となる。

＜第５の実施形態＞
図８は、第５の実施形態によるアンテナ装置１０Ｅの構成を透過的に示す平面図である。

第５の実施形態によるアンテナ装置１０Ｅは、スリット３１，３２がｙ方向に延在している点において、第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａと相違している。その他の構成については基本的に第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。このような構成であっても、第２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。

＜第６の実施形態＞
図９は、第６の実施形態によるアンテナ装置１０Ｆの構成を透過的に示す平面図である。

第６の実施形態によるアンテナ装置１０Ｆは、スリット３１，３２がｙ方向に延在している点において、第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃと相違している。その他の構成については基本的に第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。このような構成であっても、第３の実施形態によるアンテナ装置１０Ｃと同様の効果を得ることができる。

＜第７の実施形態＞
図１０は、第７の実施形態によるアンテナ装置１０Ｇの構成を透過的に示す平面図である。

第７の実施形態によるアンテナ装置１０Ｇは、スリット３１，３２がｙ方向に延在している点において、第４の実施形態によるアンテナ装置１０Ｄと相違している。その他の構成については基本的に第４の実施形態によるアンテナ装置１０Ｄと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。このような構成であっても、第４の実施形態によるアンテナ装置１０Ｄと同様の効果を得ることができる。

第５〜第７の本実施形態は、デザイン上の制約などにより、スリット３１，３２をｙ方向に延在させる必要がある場合などにおいて好適である。

＜第８の実施形態＞
図１１は、第８の実施形態によるアンテナ装置１０Ｈの構成を透過的に示す平面図である。

第８の実施形態によるアンテナ装置１０Ｈは、スリット３３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。その他の構成については基本的に第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

スリット３３はｙ方向に延在しており、スリット３３の端部は平面視で中央領域４３に達している。このような構成により、中央領域４３とスリット３３が重なる部分から磁束φ１が放出されることから、第１の実施形態によるアンテナ装置１０Ａよりも高いアンテナ効率を得ることが可能となる。

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、平面コイルパターン２０の形状については、上述した各実施形態に示す形状に限定されるものではなく、六角形、八角形などの多角形形状であっても構わないし、楕円形であっても構わない。また、平面コイルパターン２０を構成する導体パターンのターン数についても特に限定されるものではない。

１０Ａ〜１０Ｈ アンテナ装置
２０ 平面コイルパターン
２０ａ 横断部
２１，２２ 端子
３０ 金属層
３１ 第１のスリット
３２ 第２のスリット
３３ 第３のスリット
４０ 内径領域
４１ 第１の端部領域
４２ 第２の端部領域
４３ 中央領域
５０ 基板
１００ 携帯無線機器
１０１ 中央部
１０２，１０３ 樹脂カバー層
Ｉ１〜Ｉ３ 電流
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１１〜Ｌ１３ 金属層のエッジ
Ｘ１，Ｘ２，ｙ１，ｙ２ パターン
φ１，φ２ 磁束

Claims (8)

1. 平面コイルパターンと、
   前記平面コイルパターンを覆う金属層と、を備え、
   前記平面コイルパターンに囲まれる内径領域は、第１の方向を長手方向とする中央領域と、前記中央領域から見て前記第１の方向の一方側に位置する第１の端部領域と、前記中央領域から見て前記第１の方向の他方側に位置する第２の端部領域とを含み、
   前記金属層は、前記第１の端部領域の一部と重なる第１のスリットと、前記第１のスリットとは独立して設けられ、前記第２の端部領域の一部と重なる第２のスリットとを含むことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記中央領域、前記第１の端部領域の残りの部分及び前記第２の端部領域の残りの部分が前記金属層に覆わ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。
3. 前記内径領域の前記第１の方向と交差する第２の方向における幅は、前記第１及び第２の端部領域よりも前記中央領域の方が狭いことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１及び第２のスリットは、前記第１の方向に延在し、
   前記第１及び第２のスリットの前記第２の方向における幅は、前記第１及び第２の端部領域の前記第２の方向における幅よりも狭いことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１のスリットは前記第１の端部領域を横断するように設けられ、前記第２のスリットは前記第２の端部領域を横断するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記金属層は、前記中央領域と重なる第３のスリットをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナ装置を備える携帯無線機器。
8. 前記金属層が筐体の一部を構成することを特徴とする請求項７に記載の携帯無線機器。

Images