JP4687832B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

この発明は、相手側機器と電磁界信号を介して通信するＲＦＩＤシステムや短距離無線通信システムに用いられるアンテナ装置及びアンテナ装置の共振周波数設定方法に関するものである。
近年、利用が拡大しているＲＦＩＤシステムや短距離無線通信システムにおいては、携帯電話等の携帯電子機器同士または携帯電子機器とリーダ・ライタとで通信を行うために、各々の機器に通信用のアンテナが搭載されている。これらのアンテナのうち携帯電子機器に搭載されるアンテナについて特許文献１が開示されている。
図１は、特許文献１の携帯情報端末２１とリーダ・ライタ間の近接時における通信の様子を示す図である。図１の例において、リーダ・ライタの送受信アンテナ部２６から放射された電磁波のうち、一部の磁場Ｈが、端末本体２２内のバッテリーパック２５等の金属物による影響を受けて反射、吸収等による減衰作用を受ける。アンテナモジュール１０の通信面ＣＳよりも電磁波の入射側に金属層３０が配置されている。この金属層３０の表面に、外部磁場の印加で誘導電流（渦電流）が発生し、これに起因して生じた磁場Ｈ１が、アンテナモジュール１０のアンテナコイル１５に誘導電流を生じさせる。
この例では、金属層３０がアンテナコイル１５の一部を覆うように、アンテナモジュール１０に近接対向配置することにより、金属層３０で発生した磁場成分Ｈ１を介してリーダ・ライタの送受信アンテナ部２６とアンテナモジュール１０のアンテナコイル１５との間が誘導結合する。
特開２００６−２７０６８１号公報
図１に示したアンテナ装置は、通信相手側のアンテナとの距離が極めて近接した時にアンテナ同士の中心間の位置ずれの大きさによって通信特性が大きく変動するという問題を解消しようとするものである。携帯情報端末２１側のアンテナモジュール１０のアンテナコイル１５とリーダ・ライタ側の送受信アンテナ部２６とに鎖交しようとする磁束が筐体内バッテリーパック２５等の金属物で遮られるのを解消するために、その磁束を誘導するために金属層３０が設けられている。そのため、前記バッテリーパック２５等の遮蔽物の位置関係によっては大きな効果が得られるとは限らない。
さらに、アンテナ装置と通信相手側のアンテナとが離れた状態で、前記金属層３０が通信距離を拡大するために有効に作用するとは限らない。
そこで、この発明の目的は、通信相手側のアンテナに比べて相対的に小型化しても、安定した通信が行えるようにし、さらに通信可能最大距離も大きくできるようにしたアンテナ装置及びその中心周波数調整方法を提供することにある。
この発明のアンテナ装置は、
巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、
前記コイル導体よりも通信相手側のアンテナに近接する側に配置された導体層とを備え、
前記導体層は、導体開口部、及び前記導体開口部と外縁との間を連接するスリット部を備え、
前記基板を平面視したとき、前記コイル導体と前記導体層とが重なっているアンテナ装置であって、
前記導体層の面積は前記コイル導体の形成領域の面積より大きく、もって、前記コイル導体に電流が流れたとき、前記導体層には、前記導体層のうち前記導体開口部の周囲に電流が流れ、この電流が前記スリット部の周縁を通り、さらに前記導体層の外縁を周回するように構成されていることを特徴とする。
この発明によれば、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、導体層に電流が流れる。そして、導体層の開口部周囲に流れる電流が、スリット部周辺を通り、縁端効果により導体層周囲に電流が流れる。これにより、導体層から磁界が生じ、通信距離を広げることができる。
また、導体層が磁束を大きく周回させるので、アンテナ装置から通信相手側のアンテナまで、または通信相手側のアンテナからアンテナ装置まで磁束が届き、アンテナ装置と通信相手側アンテナとの通信可能最大距離が大きくなる。
特許文献１の携帯情報端末２１とリーダ・ライタ間の近接時における通信の様子を示す図である。 図２（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置を備える電子機器の背面図である。図２（Ｂ）は前記背面側の下部筐体の内側の平面図である。 図３（Ａ）は前記アンテナコイルモジュール３の平面図、図３（Ｂ）はその正面図である。 図４（Ａ）は前記アンテナ装置１０１とリーダ・ライタ側アンテナとの磁気的結合状態を示す断面図である。図４（Ｂ）は比較例として、前記導体層２が存在しない状態を表す断面図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置に関する図である。図５（Ａ）は電子機器の下部筐体１の内面側を見た平面図である。また図５（Ｂ）は下部筐体１の内面にアンテナコイルモジュール３を取り付けた状態での平面図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３の平面図である。特に、図６（Ａ）はコイル導体３１に流れる電流、図６（Ｂ）は、導体層２に流れる電流Ｉをそれぞれ示している。 図７（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナコイルモジュール１３の平面図、図７（Ｂ）はその正面図である。 第５の実施形態に係るアンテナ装置１０４の平面図である。
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ装置及びその共振周波数設定方法について図２〜図４を参照して説明する。
図２（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置を備える電子機器の背面図である。電子機器の背面は通信相手側であるリーダ・ライタ側アンテナに向ける面である。図２（Ｂ）は前記背面側の下部筐体の内側の平面図である。但し、図２（Ａ），図２（Ｂ）では主要部の構成のみを表している。
図２（Ａ）に示すように、下部筐体１の外面には導体層２が形成されている。導体層２は例えばアルミニウム等の金属蒸着膜である。この導体層２には導体開口部ＣＡが形成されていて、さらにこの導体開口部ＣＡと外縁との間を連接するスリットＳＬが形成されている。
図２（Ｂ）に示すように、下部筐体１の内面には前記導体開口部ＣＡに部分的に重なるようにアンテナコイルモジュール３が配置されている。
なお、この例では導体開口部ＣＡ部分にカメラモジュールが取り付けられる。カメラモジュールのレンズは筐体の開口部から外部へ露出させる必要があるので、導体開口部をこのように筐体に設けた開口部に合わせて配置することによって、導体層２を設けることによる特別な筐体の設計が不要となる。
また、筐体の外面の一部を意匠上メタリックにするような場合に、筐体の外面に蒸着などによって金属膜が形成されるが、その金属膜を前記導体層として兼用してもよい。
このように導体層２を電子機器の筐体の内面または外面に形成することによって、導体層２を配置するための特別なスペースを確保する必要がなく、且つ広面積の導体層２を配置できる。
図３（Ａ）は前記アンテナコイルモジュール３の平面図、図３（Ｂ）はその正面図である。アンテナコイルモジュール３は、矩形板状のフレキシブル基板３３と、同じく矩形板状の磁性体シート３９とを備えている。フレキシブル基板３３には巻回中心部をコイル開口部ＣＷとする渦巻き状のコイル導体３１及び外部の回路との接続のために用いられる接続部３２が形成されている。磁性体シート３９は例えばシート状に成形したフェライトである。
なお、コイル導体３１の巻回数（ターン数）は必要なインダクタンスによって定める。ワンターンであれば単にループ状のコイル導体となる。
前記アンテナコイルモジュール３は、図２（Ｂ）に示したように電子機器の下部筐体１の内面に取り付けられ、上部筐体と重ねられた際に、上部筐体側に取り付けられている回路基板の所定のピンと前記接続部３２が接するように配置されている。
回路基板側には前記接続部３２に対して並列接続されるキャパシタが備えられている。そして、アンテナコイルモジュール３のコイル導体３１及び磁性体シート３９によって定まるインダクタンスと前記キャパシタのキャパシタンスとによって共振周波数が定められる。例えば中心周波数１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯を利用する場合には、前記共振周波数を１３．５６ＭＨｚに定める。
図４（Ａ）は前記アンテナ装置１０１とリーダ・ライタ側アンテナとの磁気的結合状態を示す断面図である。また、図４（Ｂ）は比較例として、前記導体層２が存在しない状態を表す断面図である。但し、電子機器の筐体部分については図示を省略している。
アンテナコイルモジュール３のコイル導体３１と導体層２とは少なくとも一部で重なっているので、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、導体層に電流が流れる。そして、導体層の開口部周囲に流れる電流がスリット部周辺を通り、縁端効果により導体層周囲に流れる。なお、電流は導体層平面部にも流れる。これにより、導体層２に磁界が生じるが、導体層２には磁束が透過しないので、導体層２の導体開口部ＣＡを内側、導体層２の外縁を外側とする経路で磁束ＭＦが迂回しようとする。その結果、磁束ＭＦは相対的に大きなループを描き、リーダ・ライタ側アンテナ４のコイル導体４１の内外を鎖交することになる。すなわちアンテナ装置１０１とリーダ・ライタ側アンテナ４とは磁気的に結合する。
また、コイル導体３１を平面視したとき、コイル開口部ＣＷと導体開口部ＣＡとが少なくとも一部で重なっていることにより、コイル導体３１と相手側アンテナとに鎖交しようとする磁束がコイル開口部ＣＷ及び導体開口部ＣＡを通り周回できる。特に、コイル導体３１を平面視したときに、コイル開口部ＣＷと導体開口部ＣＡとが全周にわたってほぼ重なっていれば、コイル導体３１による磁界を効率よく放射させることができる。
また、導体層２の面積がコイル導体３１の形成領域の面積より大きいことにより、大きな磁界ループを生じさせることができる。
その上、フレキシブル基板３３の、通信相手側のアンテナより遠い側の面に磁性体シート３９を積層することによって、アンテナの指向性を通信相手側のアンテナ方向により広げることができる。
このように磁束は導体層２が広がる方向を指向することになるので、アンテナ装置１０１の（アンテナコイルモジュール３の）中心とリーダ・ライタ側アンテナ４の中心を同軸上に配置したまま両者を近接させても安定した通信が可能となる。
また、スリットＳＬを導体層２に設けたことによって、導体層２に導体ループが形成されないので、図４（Ａ）に示したように磁束ＭＦが導体層２の導体開口部ＣＡと外縁とを周回した際、導体層２に渦電流が生じるのを阻止でき、渦電流による損失が抑えられる。その結果、アンテナ装置１０１とリーダ・ライタ側アンテナ４との通信可能最大距離を確保することができる。
これに対して、図４（Ｂ）に示すように、前記導体層２が存在しないと、コイル開口部ＣＷを通過する磁束ＭＦは、図４（Ｂ）に示した向きで左右方向（アンテナコイルモジュール３の平面視状態で広がり方向）に広がることがなく、リーダ・ライタ側アンテナ４との結合量は小さい。したがって接近するほどむしろ通信が不安定になるといった現象が生じる。
また、本発明のアンテナ装置は、導体層が磁束を大きく周回させるので、アンテナ装置から通信相手側のアンテナまで、または通信相手側のアンテナからアンテナ装置まで磁束が届き、アンテナ装置と通信相手側アンテナとの通信可能最大距離が大きくなる。
次の表は、アンテナコイルモジュール３の大きさを変化させたとき、各アンテナコイルモジュール３を備えるアンテナ装置１０１と通信相手側アンテナとの間で通信可能な距離範囲を測定した結果である。
―――――――――――――――――――――――――――――――――
アンテナコイルモジュールの大きさ 導体層無し 導体層有り
―――――――――――――――――――――――――――――――――
２２．５ｍｍ×２０ｍｍ ０〜２４ｍｍ ０〜４４ｍｍ
２２．５ｍｍ×１９ｍｍ ０〜２３ｍｍ ０〜４３ｍｍ
２２．５ｍｍ×１８ｍｍ ０〜１９ｍｍ ０〜４１ｍｍ
２２．５ｍｍ×１７ｍｍ − ０〜３９ｍｍ
２２．５ｍｍ×１６ｍｍ − ０〜３８ｍｍ
―――――――――――――――――――――――――――――――――
例えば、大きさ２２．５ｍｍ×１８ｍｍのアンテナコイルモジュール３を備えたアンテナ装置である場合、導体層が無いと通信可能最大距離は１９ｍｍであるのに対し、導体層が有ると通信可能最大距離は４１ｍｍにまで拡大される。また、例えば大きさ２２．５ｍｍ×１７ｍｍ以下のアンテナコイルモジュール３を備えたアンテナ装置である場合、導体層が無いと、どのような距離でも通信不能である。これに対し、導体層が有ると、例えば大きさ２２．５ｍｍ×１６ｍｍという非常に小型のアンテナコイルモジュール３を備えたアンテナ装置を構成しても、０ｍｍから３８ｍｍまでの広範囲にわたって通信可能となる。
前記アンテナ装置１０１の中心周波数の設定は次のように行う。
図２（Ｂ）に示したアンテナコイルモジュール３を導体層２に近接しない状態、すなわち下部筐体１に取り付けない単体状態での（但し、共振用キャパシタを並列接続した状態）での共振周波数を予め利用周波数帯域の中心周波数より低く設定しておく。アンテナコイルモジュール３を図２（Ｂ）及び図４（Ａ）に示したように、導体層２の導体開口部ＣＡに近接させると、アンテナコイルモジュール３のインダクタンス値が小さくなるので、アンテナ装置１０１の共振周波数が上昇する。そのため、アンテナコイルモジュール３を電子機器の筐体内に組み込み、アンテナ装置１０１を構成した状態で、そのアンテナ装置１０１の共振周波数が利用周波数帯域の中心周波数とほぼ一致するように、前記アンテナコイルモジュール３単体でのインダクタンス値を定める。
また、スリットＳＬの長さや幅によってもアンテナ装置のインダクタンスが変わる。例えばスリットＳＬを大きくすると、アンテナコイルモジュール３に導体層２を近接させたときのインダクタンス値の減少（共振周波数の上昇）程度が抑えられる。そのため、所望のインダクタンス値を得るように、スリットＳＬの長さ及び幅を設定する。
さらに、アンテナコイルモジュール３と導体層２との位置関係、導体層２の導体開口部ＣＡの形状・大きさによってもアンテナ装置のインダクタンスが変わるので、所望のインダクタンス値を得るように、アンテナコイルモジュール３と導体層２との位置関係、及び導体層２の導体開口部ＣＡの形状・大きさを設定する。
このように導体層によって磁束ループが広がるので、コイル導体３１のコイル開口部ＣＷを小さくしてもよく、アンテナコイルモジュールは小型化できる。また、コイル開口部ＣＷを小さくすることに伴い、コイルのターン数を多くでき、アンテナコイルモジュールのインダクタンスの採り得る値を多くできる。その結果、共振周波数の設定が容易となる。
以上に述べたように、本発明は、導体層に磁界が進入することができないという特性を利用して、使用周波数で磁界の放射パターンを導体層によって変更させている。
本発明のアンテナ装置１０１によれば、アンテナ装置１０１とリーダ・ライタ側アンテナ４の大きさが様々であっても安定した通信が行える。すなわち、リーダ・ライタ側アンテナ４が大きい場合は、導体層２の存在により磁束が大きく周回し、アンテナ装置１０１からの磁束がリーダ・ライタ側アンテナ１０１に届くし、リーダ・ライタ側アンテナ４が小さい場合には、導体層２の存在より磁束が届く距離が延びる。
《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２に関する図である。図５（Ａ）は電子機器の下部筐体１の内面側を見た平面図である。また図５（Ｂ）は下部筐体１の内面にアンテナコイルモジュール３を取り付けた状態での平面図である。
この第２の実施形態では、下部筐体１の内面に導体層２を設けている。導体層２はアルミニウム等の金属膜の蒸着や金属箔の貼着によって構成される。このように導体層は筐体の内面に設けてもよい。
なお、図５に示した例では、導体層２のスリットＳＬを導体開口部ＣＡから外縁までの距離の短い部分に設けている。
前記導体層２は電子機器内部の回路のグランドに接続してもよい。そのことにより、前記導体層２を電子機器のシールド用の導体層と兼ねることもできる。
《第３の実施形態》
図６（Ａ），図６（Ｂ）は何れも第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３の平面図である。図６（Ａ）はコイル導体３１に流れる電流、図６（Ｂ）は、導体層２に流れる電流Ｉをそれぞれ示している。このアンテナ装置１０３はアンテナコイルモジュール３と導体層２を備えている。アンテナコイルモジュール３は、渦巻き状のコイル導体３１が形成されたフレキシブル基板と磁性体シートとが積層されて構成されている。基本的には図３に示したものと同様である。但し、この例ではフレキシブル基板からコイル導体の両端を引き出し、コイル導体３１から離れた位置に接続部を設けている。
導体層２は導体開口部ＣＡ及び導体開口部ＣＡと外縁との間を連接するスリットＳＬを備えている。
コイル導体３１及び導体層２を平面視したとき、コイル開口部ＣＷと導体開口部ＣＡとが同軸で全周にわたってほぼ重なっている。このような構成により、コイル導体３１を平面視したときに、コイル導体３１の全部を導体層２と重ならせることができる。これによって、コイル導体３１から生じる磁束が全て導体層２に鎖交しようとするので、その磁束を遮るように導体層２に、コイル導体３１に流れる電流の向きとは反対方向の大きな電流が生じる。導体開口部ＣＡの周囲に流れる大きな電流Ｉは、スリット部ＳＬの周囲を通り、導体層平面、及び、縁端効果により導体層周囲に沿うように流れる。これにより、導体層２から強い磁界が生じ、通信距離をさらに広げることができる。また、導体開口部ＣＡ及びコイル開口部ＣＷを通過し、導体層２を周回する磁束のループがより効果的に広がる。そのため、アンテナ装置１０３を備える電子機器をリーダ・ライタ側アンテナの面に対して面内方向のどの向きでかざしても安定した通信が可能となる。
《第４の実施形態》
図７（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナコイルモジュール１３の平面図、図７（Ｂ）はその正面図である。このアンテナコイルモジュール１３は、第１の実施形態の場合と同様に、図２に示したような導体層に対して近接配置される。このように近接配置されることで、導体層２に大きな電流が生じ、強い磁界が生じる。
アンテナコイルモジュール１３は、矩形板状のフレキシブル基板３４と、同じく矩形板状の磁性体シート３９とを備えている。フレキシブル基板３４には巻回中心部をコイル開口部ＣＷとする渦巻き状のコイル導体３１及び外部の回路との接続のために用いられる接続部３２が形成されている。前記コイル導体３１はフレキシブル基板３４の二層にわたって形成されている。層間はビア導体で接続されている。磁性体シート３９は例えばシート状に成形したフェライトである。
このように、コイル導体３１が複数層にわたって巻回されることによって、コイル導体から強い磁界が生じ、その結果、導体層に大きな電流を流すことができる。また、コイル導体を導体開口部の内縁に沿った位置に集中させることができる。そのため、コイル導体３１に生じる集中した磁束が導体層に鎖交しようとするので、導体層に大きな電流を流すことができる。
《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係るアンテナ装置１０４の平面図である。このアンテナ装置１０４はアンテナコイルモジュール３と導体層２を備えている。アンテナコイルモジュール３は、渦巻き状のコイル導体３１が形成されたフレキシブル基板と磁性体シートとが積層されている。この構造は図６に示したものと同様である。但し、この例では導体開口部ＣＡよりコイル開口部ＣＷが僅かに小さく形成されている。
コイル導体３１の一部は導体層２と重なっているので、この構造により、コイル導体３１から生じる磁束により導体層２に電流が流れる。
なお、以上に示した各実施形態では、筐体の外面または内面に導体層を形成したが、筐体の内部に導体層を配置してもよい。また、筐体自体が金属である場合には、その筐体を前記導体層として用いてもよい。
また、以上に示した各実施形態では、コイル導体３１を備えたフレキシブル基板３３とフェライトからなる磁性体シート３９とを積層してアンテナコイルモジュール３を構成したが、アンテナコイルモジュール３の背面に磁束ループの形成にとって悪影響のない環境では、必ずしも磁性体シートを設けなくてよい。
ＣＡ…導体開口部
ＣＷ…コイル開口部
ＭＦ…磁束
ＳＬ…スリット
１…下部筐体
２…導体層
３，１３…アンテナコイルモジュール
４…リーダ・ライタ側アンテナ
３１…コイル導体
３２…接続部
３３，３４…フレキシブル基板
３９…磁性体シート
４１…コイル導体
１０１〜１０４…アンテナ装置

Claims (9)

  1. 巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、
    前記コイル導体よりも通信相手側のアンテナに近接する側に配置された導体層とを備え、
    前記導体層は、導体開口部、及び前記導体開口部と外縁との間を連接するスリット部を備え、
    前記コイル導体を平面視したとき、前記コイル導体と前記導体層とが重なっているアンテナ装置であって、
    前記導体層の面積は前記コイル導体の形成領域の面積より大きく、もって、前記コイル導体に電流が流れたとき、前記導体層には、前記導体層のうち前記導体開口部の周囲に電流が流れ、この電流が前記スリット部の周縁を通り、さらに前記導体層の外縁を周回するように構成されていることを特徴とする、アンテナ装置。
  2. 前記スリット部は組み込み先の電子機器の筐体に隣接し、前記筐体の端面方向を向いている、請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記コイル導体を平面視したとき、前記コイル開口部と前記導体開口部とが少なくとも一部で重なっている、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
  4. 前記コイル導体と前記導体層とは近接して配置されている、請求項１乃至３の何れかに記載のアンテナ装置。
  5. 前記コイル導体は複数層に亘って巻回されている、請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ装置。
  6. 前記コイル導体を平面視したとき、前記コイル開口部と前記導体開口部とが全周にわたってほぼ重なっている、請求項１乃至５の何れかに記載のアンテナ装置。
  7. 前記導体層は、組み込み先の電子機器の筐体の内面または外面に形成されている、請求項１乃至６の何れかに記載のアンテナ装置。
  8. 前記コイル導体は基板に形成され、前記基板の前記通信相手側のアンテナより遠い側の面に磁性体シートが積層され、前記基板と前記磁性体シートとによってアンテナコイルモジュールが構成された、請求項１乃至７の何れかに記載のアンテナ装置。
  9. 前記導体層が存在しない状態での共振周波数が利用周波数帯域の中心周波数より低く設定され、前記アンテナコイルモジュールが前記電子機器の筐体内に組み込まれた状態での共振周波数が利用周波数帯域の中心周波数に設定された、請求項８に記載のアンテナ装置。
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