JP2019149676A - アンテナ装置及びｎｆｃリーダライター - Google Patents

Abstract

【課題】発生する磁界の強度をより大きくすることを可能とする。【解決手段】第１のソレノイドを有する第１のアンテナ素子と、第２のソレノイドを有し、第１のアンテナ素子とほぼ同一形状を有する第２のアンテナ素子とを有し、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とが、長手方向の中心がほぼ一致する状態で離間して配置されているアンテナ装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＮＦＣ(Near Field Communication)と呼ばれる短距離無線通信で使用できるアンテナ装置及びＮＦＣリーダライターに関する。

近年、スマートフォンがＮＦＣ機能を有し、ＮＦＣ機能を備える機器同士を近付けて通信を行うことが知られている。例えばスマートフォンを使用した決済サービスが知られている。電磁誘導方式では、キャリア周波数（１３．５６ＭＨｚ（メガヘルツ））の周波数帯において、リーダライターのアンテナからの電磁波を、ＲＦタグ側のアンテナで受けてＲＦタグの電力を発生するようになされる。これらのアンテナとして、平面状のループアンテナが使用されている。

また、マイクロＳＤカードにＮＦＣ通信とセキュアエレメントを搭載して、決済機能以外にも身分証や鍵などをＳＤカードを通して利用することが提案されている。かかるＮＦＣ機能を有するＳＤカードの内部にアンテナを設け、かかるＳＤカードを例えばスマートフォンに装着すれば、そのスマートフォン自身がＮＦＣ機能を有しない場合にも、ＮＦＣを利用することが可能となる。さらに、ＳＤカード自身がＮＦＣ機能を有し、スマートフォン（リーダライター）によって当該ＳＤカードの記憶内容を知ることを可能とすることも提案されている。

従来では、ＮＦＣ用のアンテナとして例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１のアンテナ装置は、コアにコイルが巻かれており、アンテナ装置の近傍の金属体によって磁力線の方向を傾けるようになされている。

特許第４８８３２０８号公報

スマートフォン、ＳＤカード等にアンテナを内蔵する場合には、小型で且つ磁界が強いことが望まれる。特許文献１に記載の構成では、通信距離が長い場合や、移動中などで通信距離が変化する状況では、磁界の強度が不十分な場合があった。

したがって、本発明の目的の一つは、小型で、比較的強い磁界を発生することができるアンテナ装置及びＮＦＣリーダライターを提供することにある。

本発明は、例えば、
第１のソレノイドを有する第１のアンテナ素子と、
第２のソレノイドを有し、前記第１のアンテナ素子とほぼ同一形状を有する第２のアンテナ素子と
を有し、
前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが、長手方向の中心がほぼ一致する状態で離間して配置されている
アンテナ装置である。
また、本発明は、かかるアンテナ装置を備えたＮＦＣリーダライターでも良い。

本発明によれば、第１及び第２のアンテナ素子が離間して配列されたことによって、発生する磁界を強くすることができる。なお、本明細書において例示された効果により本発明の内容が限定して解釈されるものではない。

図１は、本発明の実施形態にかかるアンテナ装置の構成例を示す配置図である。 図２Ａは実施形態にかかるアンテナ素子のより詳細な図であり、図２Ｂは実施形態にかかるソレノイドの一部拡大図である。 図３Ａは実施形態にかかるアンテナ素子の断面図であり、図３Ｂは他の例におけるアンテナ素子の断面図である。 図４は、実施形態にかかるアンテナ装置において、アンテナ素子間の離間距離による磁界変化を示すグラフである。 図５は、実施形態にかかるアンテナ装置において、アンテナ素子間の離間距離による磁界変化を示すグラフである。 図６は、実施形態にかかるアンテナ装置のＺ軸方向の距離の変化に対する磁界変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。説明は以下の順序で行う。
＜１．一実施形態＞
＜２．変形例＞
但し、以下に示す実施形態等は、本発明の技術思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明は例示された構成に限定されるものではない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものではない。特に、実施形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置、上下左右等の方向の記載等は特に限定する旨の記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがあり、また、図示が煩雑となることを防止するために、参照符号の一部のみを図示する場合もある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一つの部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一つの部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

＜１．一実施形態＞
［アンテナ装置の全体構成例と使用例］
図１に示すように、一実施形態にかかるアンテナ装置１００では、第１のアンテナ素子であるアンテナ素子１及び第２のアンテナ素子であるアンテナ素子１１がに離間して配置される。アンテナ素子１及び１１は、プリント回路基板（不図示）上に実装されている。アンテナ素子１及び１１の長手方向をＸ軸として、Ｘ軸と直交する方向（アンテナ素子１及び１１の幅方向）をＹ軸とし、これらの高さ方向をＺ軸とする。アンテナ素子１及び１１は、共にＬｘの長さを有する。アンテナ素子１の長手方向の中心軸とアンテナ素子１１の長手方向の中心軸がほぼ一致し、且つ両アンテナ素子の端部間距離、即ち、離間距離が両アンテナ素子の長さＬｘとほぼ等しい値とされている。

例えば、アンテナ素子１及び１１の共振周波数がＮＦＣのキャリア周波数とほぼ等しい値とされている。即ち、本発明によるアンテナ装置１００は、ＮＦＣのリーダライターのアンテナ装置として使用できる。アンテナ素子１及び１１が並列に接続され、送信データによってキャリア信号が変調された送信信号がアンテナ装置１００からＲＦタグに対して送信される。また、ＲＦタグからの信号がアンテナ装置によって受信され、受信が復調されて受信データが得られる。リーダライターのアンテナ装置１００として使用した時に、比較的強い磁界を発生することができ、安定した送受信を行うことができる。

アンテナ装置１００は、例えばスマートフォンの筐体（ケース）内の所定位置に配置される。一例として、スマートフォンにおけるディスプレイが設けられた面のコーナ付近にアンテナ装置１００が配置される。ユーザは、アンテナ装置１００が配置された箇所を、対応機器に接触若しくは近接（適宜、接触等と称する）させることによりＮＦＣを行う。ＮＦＣを行う際に接触等させる箇所は、アンテナ装置１００が配置された位置を基準として、所定の範囲内となるように設定されている。

［アンテナ素子の構成例］
次に、アンテナ素子１及び１１の構成例について説明する。本実施形態では、アンテナ素子１及び１１はほぼ同一形状を有しているので、以下ではアンテナ素子１について主に説明する。

アンテナ素子１は、図１、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、例えば、電線が中空状に巻回されたソレノイド３を有している。ソレノイド３は、例えば矩形の断面を有する角柱状の磁性体２の周囲に巻き付けられている。磁性体２は、高透磁率で、低損失のフェライトである。磁性体２は、角柱状に限らず、円柱状などの任意の形状とすることができる。さらに、ソレノイド３は、磁性体２を有しない空芯コイルであってもよい。但し、磁性体２によってソレノイド３のインダクタンスを大きくすることができるので、ソレノイド３は、磁性体２を有する構成の方が好ましい。

図２Ｂに示すように、ソレノイド３は、線幅が例えば０．０５ｍｍのような電線、例えば、銅線を６本平行に配し、各電線を所定回数（例えば２０回）、並列して巻回したものである。ソレノイド３の両端には、例えば銅からなる電極板４ａ（第１電極部）及び４ｂ（第２電極部）がそれぞれ設けられている。ソレノイド３の一端側の６本の電線が電極板４ａと接続され、ソレノイド３の他端側の６本の電線が電極板４ｂと接続される。電極板４ａ及び４ｂは、プリント回路基板（不図示）上に設けられている。複数本の電線を使用してソレノイド３を構成することにより、ソレノイド３の抵抗成分を減少させることができる。但し、複数本の電線を使用せずに、１本の電線を使用したソレノイド３であってもよい。

電極板４ａ及び４ｂに対して平行２線ケーブルを構成する給電電極５ａ及び５ｂがそれぞれ接続され、平行２線ケーブルの端部から給電がなされる。給電電極５ａ及び５ｂは、プリント回路基板（不図示）上に設けられている。給電電極５ａ及び５ｂの間にキャパシタ６が接続される。キャパシタ６は、共振用のものである。

他方のアンテナ素子１１もアンテナ素子１と同様に、磁性体２と、磁性体２に対して巻き付けられたソレノイド３と、ソレノイド３の両端に設けられた電極板４ａ及び４ｂと、電極板４ａ及び４ｂと接続された給電電極５ａ及び５ｂを有する。磁性体２及びソレノイド３の寸法、ソレノイド３の巻回数及び巻回方向がアンテナ素子１及び１１間でほぼ同一とされている。アンテナ素子１及び１１に対して図１において、実線で示すように、同相で信号が給電されるか、又は破線で示すように、逆相で信号が給電される。

一例として、Ｌｘ＝１２．６ｍｍとなされる。図３Ａは、アンテナ素子１（アンテナ素子１１も同様）の断面を示している。アンテナ素子１の高さＨｚ＝０．９４ｍｍ、幅Ｗｙ＝０．７８５ｍｍとされる。これらの数値は、ＮＦＣのキャリア周波数（１３．５６ＭＨｚ）の送受信を想定してアンテナ素子１及び１１が所定のインダクタンスを持つようにした数値例であるが、他の値としてもよい。また、図３Ｂに示すように、アンテナ素子１に対して例えば０．２ｍｍの間隔ｇでもって、接地板７を配するようにしてもよい。接地板７は、例えば、アンテナ装置１００が適用される機器（例えば、スマートフォン）の筐体である。

［アンテナ素子間の離間距離と特性］
本実施形態では、アンテナ素子１及び１１間の離間距離をアンテナ素子１及び１１の長さＬｘと等しいものに設定している。ここで、離間距離をＬｘ×ｎ（ｎ＝１，２，３）と変化させた場合の磁界の強度を測定した。一例として、アンテナ素子１及び１１に対してそれぞれ１Ｖの振幅を有する（１３．５６ＭＨｚ）の信号を供給した。

図４は、測定結果を示している。図４における横軸は、アンテナ素子１の一方の端部（アンテナ素子１１とは対向していない方の端部）を基準（０）として、アンテナ素子１及び１１の軸方向に変位させた距離ｘを示している。従って、例えば、アンテナ素子１及び１１間の離間距離の中央では、ｘ＝１８．９ｍｍ（１２．６＋１２．６／２）となる。一方、図４における縦軸は、Ｚ＝５０ｍｍの位置で測定された磁界の強度を示す。ｎの値を１，２，３と変化させた場合の磁界の強度が変化曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３により表わされている。

機器を接触等させるＮＦＣの場合のユースケースを考慮すると、横軸ｘの値は、およそ０〜４０ｍｍが想定される。この間では、（ｎ＝１）の場合の変化曲線Ｌ１がもっとも磁界の強度が大きくなることが確認された。

図５は、縦軸を、Ｚ＝８０ｍｍの位置で測定された磁界の強度とするグラフである。図４と同様に、ｎの値を１，２，３と変化させた場合の磁界の強度が変化曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３として表されている。Ｚが大きくなることで、磁界の強度自体は、図４に示す場合に比べて全体に低下する。しかしながら、この場合でも、（ｎ＝１）の場合の変化曲線Ｌ１が最も磁界の強度が大きくなることが確認された。

図６は、縦軸を磁界の強度とし、横軸をＺ方向の距離で示したグラフである。図４及び図５と同様に、ｎの値を１，２，３と変化させた場合の磁界の強度が変化曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３として表されている。上述したように、機器を接触等させるＮＦＣのユースケースを考慮すると、Ｚの値としては、０〜５０ｍｍ程度が想定される。Ｚ＝０〜５０ｍｍ程度の範囲では、（ｎ＝１）が他の（ｎ＝２）及び（ｎ＝３）に比して磁界の強度が最大となることが確認された。

以上から、使用してＮＦＣ等の短距離無線通信を行う場合、本実施形態にかかるアンテナ装置１００の構成としては、アンテナ素子１及び１１間の離間距離をアンテナ素子１及び１１の長さＬｘとほぼ等しくすることが最適であることが確認された。なお、ほぼ等しいとは、本発明の作用効果を奏さない程度（例えば、ずれによる磁界の強度の低下が閾値以内）の誤差を許容することを意味する。他の「ほぼ」との記載についても同様である。

＜２．変形例＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。

上述の実施形態及び変形例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよく、公知のもので置き換えることも可能である。また、実施形態及び変形例における構成、方法、工程、形状、材料及び数値などは、技術的な矛盾が生じない範囲において、互いに組み合わせることが可能である。

１・・・第１のアンテナ素子、２・・・磁性体、３・・・ソレノイド、４ａ、４ｂ・・・電極板、５ａ、５ｂ・・・給電電極、１１・・・第２のアンテナ素子、１００・・・アンテナ装置

Claims (6)

1. 第１のソレノイドを有する第１のアンテナ素子と、
   第２のソレノイドを有し、前記第１のアンテナ素子とほぼ同一形状を有する第２のアンテナ素子と
   を有し、
   前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子とが、長手方向の中心がほぼ一致する状態で離間して配置されている
   アンテナ装置。
2. 前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との離間距離が、前記第１及び第２のアンテナ素子のそれぞれの長さとほぼ等しくされている
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１のソレノイドは、複数の電線が並列して巻回された構成を有し、各電線の両端が第１の電極部に接続されており、
   前記第２のソレノイドは、複数の電線が並列して巻回された構成を有し、各電線の両端が第２の電極部に接続されている
   請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１のアンテナ素子は、前記電線が巻回された第１の磁性体を有し、
   前記第２のアンテナ素子は、前記電線が巻回された第２の磁性体を有する
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１及び第２のアンテナ素子の共振周波数がＮＦＣのキャリア周波数とほぼ等しい値とされている
   請求項１から４までの何れかに記載のアンテナ装置。
6. 請求項１から５までの何れかに記載のアンテナ装置を備えたＮＦＣリーダ／ライター。

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