JP4711010B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦ−ＩＤ、即ちＩＣカードやＩＣタグ等の無線通信媒体との通信を行う無線通信媒体処理装置、あるいは無線通信媒体そのものに用いられるアンテナ装置に関するものである。

近年、携帯電話等の携帯端末にＲＦ−ＩＤ用無線タグを内蔵したものや、非接触型ＩＣカードやＩＣタグを読み取る機能を搭載したものが普及してきており、ループ状のアンテナの開口面に磁性体シートを貼り合わせた（ループ状のアンテナのコイル軸が磁性シートに対して垂直）アンテナ装置が多く用いられている。

しかしながら、金属体がアンテナ裏面に近接している場合は通信性能が劣化しやすく、それを防ぐために磁性体シートを厚くすると携帯端末の小型化・薄型化を妨げることになっていた。

そこで金属体近傍での磁界分布に着目した（特許文献１）のような、近接する金属面に対して水平なコイル軸を持つコイルを用いたアンテナ装置も考案されている。

特開２００８−０４８３７６号公報

しかしながら、（特許文献１）の構造では、金属面に対して水平なコイル軸を持つコイルを用いているため、金属体に近接していない場合の通信性能がループ状のアンテナの開口面に磁性体シートを貼り合わせた従来のアンテナを用いたものと比較して劣ってしまう。そのため、設計変更等でアンテナ搭載予定場所が変更された場合には、同じアンテナが使用できなくなるという不具合が生じてしまい、アンテナの選定からやり直す必要が出てくる等、開発に支障をきたしてしまう恐れがある。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、アンテナと金属体の距離によらず、良好な通信性能を有するアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、ループ状のアンテナと、前記ループ状のアンテナの線路に挿入されているコイルと、を備え、前記コイルは、前記アンテナの線路によって囲まれる開口面に起立状態で巻回配置され、前記開口面に平行であるとともに前記開口面の外部から内部へと通じる方向のコイル軸を有したことを特徴とするアンテナ装置とした。

本発明によれば、アンテナと金属体の距離によらず、良好な通信性能を有するアンテナ装置を提供することができる。

本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図 本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図 本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図 金属体が遠方にある場合でアンテナから送信する場合の本発明の概念図 金属体が遠方にある場合でアンテナが外部からの磁界を受ける場合の本発明の概念図 金属体が近傍にある場合でアンテナから送信する場合の本発明の概念図 金属体が近傍にある場合でアンテナが外部からの磁界を受ける場合の本発明の概念図 金属体が近傍にある場合でアンテナから送信する場合の従来例の概念図 金属体が近傍にある場合でアンテナが外部からの磁界を受ける場合の従来例の概念図 金属体に近接して配置した場合の従来図 本発明の実施例の概念図 携帯端末を分解した場合の斜視図 従来例のアンテナ装置の概念図 基板との距離と磁界強度の実験結果グラフ 角度と磁界強度の実験結果グラフ 実験における本発明のアンテナ装置の概念図 実験における従来例の概念図 端末間通信のイメージ図 巻回数実験の結果グラフ 本発明の実施例の概念図

本発明の請求項１に記載の発明によれば、ループ状のアンテナと、ループ状のアンテナの線路に挿入されているコイルと、を備え、コイルは、コイルのコイル軸が、ループ状のアンテナの開口面に平行であり、かつ、ループ状のアンテナの線路のコイルが挿入された前後の部分を流れる電流の向きに非平行であることを特徴とするアンテナ装置とすることにより、アンテナと金属体の距離によらず、良好な通信性能を有するアンテナ装置を提供することができる。

本発明の請求項２に記載の発明によれば、請求項１記載のアンテナ装置であって、ループ状のアンテナにコイルを複数設けたことにより、複数配置したコイルによって金属体に生じる渦電流を効率よく利用することができるため、金属体が近い場合でも良好な通信性能を有するアンテナ装置を提供することができる。

本発明の請求項３に記載の発明によれば、請求項１記載のアンテナ装置であって、コイルを構成する導体の巻回数が整数倍より略半周分多いあるいは少ないことにより、コイルの端子をコイルの両端に設けることができるので、ループ状のアンテナを構成する線路に容易に挿入することができる。

本発明の請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載のアンテナ装置であって、コイルにおける金属体側の面に巻回された導体の本数が、金属体側の面とは反対側の面に巻回された導体の本数より少ないことにより、コイルは効率よく磁界を作ることができ、また、効率よく磁界を捕捉することができる。

本発明の請求項５に記載の発明によれば、請求項２記載のアンテナ装置であって、コイルがループ状のアンテナの向かい合う２辺に挿入されていることにより、端末の、例えば左右での通信距離のバランスを取りやすくすることができる。

本発明の請求項６に記載の発明によれば、請求項１記載のアンテナ装置であって、ループ状のアンテナが金属体に近接して配置されたとき、コイルが金属体の端部にあるように構成したことにより、金属体の渦電流の密度が高い部分を利用することができるため、良好な通信性能を有するアンテナ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図である。

ループ状のアンテナ１は、アンテナ入出力用端子４（あるいは５）からもう片方のアンテナ入出力用端子５（あるいは４）までの電流が流れる経路を提供するものとし、電流によって生じる磁界、あるいは外界からの磁界によって生じた電流によって信号の送受を行うものと定義する。また、ループ状のアンテナ１の線路で囲まれた面を、ループ状のアンテナ１の開口面と定義する。

つまり、本実施例では、ループ状のアンテナ１によって、例えばＲＦＩＤ（１３．５６ＭＨｚ）の電波を送受信できるように調整してある。

本実施例では、ループ状のアンテナ１を構成する線路の途中にコイル部２が巻回されているコア３とともに２ヶ所挿入されている。ひとつのコイル部２のコイル軸をＡとすると、コイル部２の配置は、コイル軸Ａが、ループ状のアンテナ１の開口面に平行であり、かつ、ループ状のアンテナ１の線路のコイルが挿入された前後の部分を流れる電流の向き（本実施例では図１のＣの方向）に垂直になっている。

なお、本実施例ではコイル軸ＡはＣ方向に対して垂直となっているが、平行でなければよい。

また、本実施例では、コイル部２は、距離Ｄを隔てて配置された金属体６の端面Ｂに垂直となるように配置されている。距離Ｄは０ｍｍから∞まで考えられるが、後述するように、いずれの場合もアンテナ装置として良好な通信性能を有する。

また、コア３には、磁性体を用いることでコイル部２を通過する磁束を増やすことができ、金属体が近接した場合の通信性能がよくなるので好ましいが、磁性体に限らずセラミックや樹脂等で構成されていてもかまわない。

図１においてはコイル部２が２ヶ所ある場合を図示しているが、２ヶ所に限定するものではない。また図１ではコイル部２は向かい合う２辺に挿入されているが、このように配置することで、例えば端末の左右における通信距離のバランスが取れるため好ましい。

さらに図１では２ヶ所のコイル部２は同じ形状をしているが、形状や巻回数等が異なっていてもかまわない。ただし、同じ形状のコイル部２とすることで量産時の取り付けミスや部品品種削減ができるので好ましい。

また、コイル部２の導体の巻回数を本実施例では約１．５ターンで図示し、コア３の金属体に面する面に巻回されている導体の本数（コア３の金属体に面する面において、コア３に導体を巻回す際に導体が面上に巻かれる本数）がコア３の金属体に面する面と反対側の面に巻回されている導体の本数より少なくしている。

このように構成することで、少ない巻回数で効率のよいアンテナ装置にすることができる。

ここで、巻回数の実験の結果を図１９に示す。横軸は巻回数、縦軸は０．５巻での磁界強度で正規化した値をプロットした。実験に用いたコイル部２はコア３に２１ｍｍ×４ｍｍ×０．２ｍｍのフェライトを使用し、厚さ０．１ｍｍの銅薄板を、巻回数に合わせて幅１ｍｍ〜０．６ｍｍと変化させて試作した。金属体の端にコイル部２を近接して配置し、１３．５６ＭＨｚにおいて５０Ωに整合をとり、信号発生器より１３．５６ＭＨｚにおいて２０ｄＢｍの正弦波信号をアンテナに入力し、金属体の主面の上空３０ｍｍにおける磁界強度を測定した。

図１９に示されているように、磁界強度は巻回数が増えるに伴い増加している。しかし、増加率を考えると、巻回数が整数から半周分増えるときに大きく増えていることがわかる。金属体６に面さない側の導体は金属体６の表面の渦電流の影響は少ないが、金属体６に面した側のコイル部２の導体には、金属体６の表面の渦電流によって打ち消される方向の電流が生じるため、整数倍の巻回数のときには磁界強度の増加が少ないものと推測できる。

ここで、図１９の実験は、ループ状のアンテナ１を形成していない状態で行ったが、ループ状のアンテナ１を形成した場合でも、コイル部２が金属体６から受ける影響は同様に考えられるため、ループ状のアンテナ１に挿入したコイル部２においても、少ない巻回数で効率のよいアンテナ装置にすることができると言える。

ただし、巻回数は限定されるものではなく、巻回数は図１に図示している約１．５ターンより多くても少なくてもかまわない。

なお、巻回数を整数倍より約０．５ターン増やすまたは減らすことは、コイル部２の両端（ループ状のアンテナ１との接続部）がコア３を挟んで両サイドにできるため、ループ状のアンテナ１に挿入しやすくなる。

つまり、通常のループアンテナの直線部分を置き換えるような形で挿入することができるため、挿入しやすくなる。

また、コイル部２の巻き方については、右巻きでも左巻きでもよく、配置する位置に応じて適宜選択することができる。

また、コイル部２とループ状のアンテナ１の導体との接続は、はんだやコネクタによる接続等、通常利用される接続方法を使用できる。あるいは、コイル部２とループ状のアンテナ１は１本の繋がった導体で形成してもかまわない。アンテナ入出力用端子４、５は、一般的に知られているように整合回路およびＩＣの入出力端子に接続されるものとし、接続方法はピンやバネによる接触やはんだ付け、コネクタによる接続等通常利用される接続方法を用いることができる。

図２は本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図である。上記実施例では、コイル部２のコイル軸は、コア３の短辺に平行となるようにしているが、図２では、コイル部２のコイル軸をコア３の長辺に平行となるようにしているおり、コイル部２とコア３の形状が異なる。つまり、図２に示すように所望する特性や、搭載するスペースに合わせてコイル部２とコア３の形状は自由に選ぶことができる。

図３は本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図である。

金属体６に近接して配置されたループ状のアンテナ１とコイル部２、コア３とアンテナ入出力用端子４、５より構成されている。コイル部２は金属体６の端部に位置するように配置されている。外界からループ状のアンテナ１の開口面に垂直な方向の磁界が到来した場合、金属体６の面上に渦電流が生じる。この渦電流は金属体６の端部の方が密度が高いため、コイル部２を金属体６の端部に位置するように配置することで金属体６の面上を流れる渦電流を最も効率よく利用できるため好ましい。また、渦電流の密度は金属体６のカド部では低くなるため、カド部へのコイル部２の配置は避けた方が好ましい。

図３では、アンテナ装置と金属体６との間隔が確保しづらい携帯端末を想定しており、その場合、金属体６は例えば携帯端末内の基板となるが、他の金属体、例えばバッテリーや液晶表示パネル等であってもかまわない。ループ状のアンテナ１を構成する導体は、被覆銅線等で構成されてもよいが、金属体６上に形成された電極パターン等でもかまわない。コイル部２と磁性体コア３も金属体６上に実装されている構成としてもよい。図示していないが、ループ状のアンテナ１のループ内側の空いているスペースには、他の部品、例えばカメラモジュールやスピーカー、ＲＦモジュール、他周波用のアンテナ等を実装することができる。

次に図４から図９を用いて本発明のアンテナ装置の動作概念を説明する。

図４は金属体が遠方にある場合で、アンテナから送信する場合の本発明の概念図である。アンテナ入出力用端子４、５へ入った信号によりループ状のアンテナ１に電流７が流れ、磁界８が生じる。コイル部２によって生じる磁界１３は磁界８に対して直交しているため磁界８への影響はない。金属体６には電流７による磁界８を打ち消す方向の渦電流９が発生するが、遠方にあるため大きな影響はない。したがって、金属体６が遠方にある場合は従来のループ状のアンテナと同様に通信するため、本発明のアンテナ装置は金属体が遠方にある場合も良好な通信状態を得ることができる。

図５は金属体が遠方にある場合で、アンテナが外部からの磁界を受ける場合の本発明の概念図である。外界からの磁界１０とループ状のアンテナ１を通過する磁界１１は距離に応じた関係にあり、磁界１１によってループ状のアンテナ１には電流７が誘導され、アンテナ入出力用端子４、５を通って出て行く。コイル部２のコイル軸は磁界１１に対して直交しているため、電流７に影響を与えない。金属体６には磁界１０による渦電流９が生じ、反対向きの磁界１２ができるが遠方にあるため影響は小さい。したがって、金属体６が遠方にある場合は従来のループ状のアンテナと同様に通信するため、本発明のアンテナ装置は金属体が遠方にある場合も良好な通信状態を得ることができる。

つまり、本実施例では、渦電流９を打ち消す方向に電流が発生するように、コイル部２を配置している。

図６は金属体が近傍にある場合で、アンテナから送信する場合の本発明の概念図である。アンテナ入出力用端子４、５へ入った信号によりループ状のアンテナ１に電流７が流れ、磁界８が生じる。金属体６には電流７による磁界８を打ち消す方向の渦電流９が発生し、結果として磁界８は小さくなりアンテナの通信性能が劣化することとなるはずであるが、コイル部２を流れる電流によってコイル部２を貫く磁界１３が生じ、この磁界１３によって金属体６に電流１４が生じる。この電流１４は渦電流９と反対向きであり、打ち消し合うので、結果として磁界８は渦電流９から受ける影響が小さくて済む。したがって、金属体６が近傍にある場合も本発明のアンテナ装置は良好な通信状態を得ることができる。

図７は金属体が近傍にある場合で、アンテナが外部からの磁界を受ける場合の本発明の概念図である。外界からの磁界１０によってループ状のアンテナ１には電流７が、金属体６には渦電流９が生じる。金属体６とループ状のアンテナ１が近いため、渦電流９による反対方向の磁界１２によってループ状のアンテナ１を通過する磁界１１が小さくなってしまい、結果として電流７は少なくなってしまうはずであるが、渦電流９によって生じる磁界がコイル部２を通過することでコイル部２には磁界１３を作り出すような電流が流れ、結果として電流７が少なくならない。したがって、金属体６が近傍にある場合も本発明のアンテナ装置は良好な通信状態を得ることができる。

比較例として、図８は金属体が近傍にある場合で、アンテナから送信する場合の従来例の概念図である。金属体から離れている場合には、もちろん金属体の影響は受けないが、図８に示すように、アンテナ入出力用端子４、５へ入った信号によりループ状のアンテナ１０１に電流７が流れ、磁界８が生じる。金属体６には電流７による磁界８を打ち消す方向の渦電流９が発生し、結果として磁界８は小さくなりアンテナの通信性能が劣化することとなる。したがって、金属体６が近傍にある場合は従来のループ状のアンテナ１０１では十分な通信性能が得られない。

図９は金属体が近傍にある場合で、アンテナが外部からの磁界を受ける場合の従来例の概念図である。外界からの磁界１０によってループ状のアンテナ１０１には電流７が、金属体６には渦電流９が生じる。金属体６とループ状のアンテナ１０１が近いため、渦電流９による反対方向の磁界１２によってループ状のアンテナ１０１を通過する磁界１１が小さくなってしまい、結果として電流７は少なくなってしまう。したがって、金属体６が近傍にある場合は従来のループ状のアンテナ１０１では十分な通信性能が得られない。

図８や図９の状況では、金属体６の影響を小さくするため図１０に示すように磁性体シート１１５を利用することが一般的であるが、アンテナ占有面積と厚みが増えてしまい、アンテナを搭載する携帯電話等の小型化が困難となってしまう。

本実施例である図６および図７の状態では、金属体６に流れる電流を利用して金属体６をアンテナとして利用しているとも言える。携帯端末における金属体はアンテナ装置より大きい場合が多いため、狭い占有面積のアンテナで大きい金属体をアンテナ装置として利用できることは今後の携帯端末の小型薄型化に大きく貢献できると考えられる。

以上の各図においてループ状のアンテナ１および１０１は１ターンで描かれているが、巻回数は１ターンに限定されるものではなく複数ターンにしてもかまわない。複数ターンにした場合は、ループ状のアンテナ１の最外周の線路の一部のみをコイル部２で構成する、あるいは、各ターンの線路に挿入し、各コイル部２のコイル軸が共通となるように配置することで、金属体が近接した場合の通信性能劣化が少なくなるので好ましい。また線１本で図示しているが、図面の簡略のためであり、実際には幅や厚みを持っている。

図１４は、本発明のアンテナ装置と、図１３に示すような従来構造で構成した比較用のアンテナとで実験した結果である。横軸に金属体とアンテナの距離、縦軸には、アンテナを１３．５６ＭＨｚで５０Ωに整合して、１３．５６ＭＨｚ、２０ｄＢｍの正弦波信号を入力したときにアンテナから３０ｍｍ上空で測定した磁界強度をプロットしたものである。

実験に用いた本発明のアンテナ装置は、ループの外形を４０ｍｍ×２５ｍｍにして、２つある２５ｍｍの辺を、２１ｍｍ×４ｍｍ×０．２ｍｍの磁性体コアに線幅１ｍｍで厚み０．１ｍｍの銅薄板を用いて１．５ターン巻回したコイル１個ずつで置き換えた、図１の実施例１のような構成で試作した。従来構造の比較用のアンテナは、外形は同じく４０ｍｍ×２５ｍｍとし、線幅１ｍｍで厚み０．１ｍｍの銅薄板を用いて１ターンで構成した、図１３に示すような構成で試作した。金属体には４０ｍｍ×１１０ｍｍの携帯端末を想定したサイズのベタ基板を用いた。

図１４からわかるように、従来のものは金属体から離れているときと比較して、近づいている場合には、磁界強度が１０分の１以下となってしまい通信特性を維持できないのに対して、本発明のアンテナ装置では金属体が近づいても磁界強度の劣化が小さく、金属体が近くにある場合でも通信特性を維持することができる。したがって、本発明は、アンテナと金属体の距離によらず、良好な通信性能を有するアンテナ装置を提供することができると言える。

次に、本発明の通信範囲について、図１５〜図１８を用いて説明する。

図１５は、図１４の実験で用いたアンテナを図１６および図１７のように配置して、アンテナ側面から３０ｍｍの距離における磁界強度を０°から９０°まで測定した結果である。基板２７は携帯端末を模した４０ｍｍ×１１０ｍｍサイズのベタ基板を使用し、従来構成の比較用アンテナの測定には、０°方向の磁界強度が図１６とほぼ同じになるように、図１７に示すようにループ状のアンテナ１０１と基板２７の間に４１ｍｍ×２６ｍｍ×０．２ｍｍの磁性体シートを挿入している。

図１５からわかるように、本発明のアンテナ装置は９０°方向の磁界強度が従来構成の比較用アンテナより強い。これは、コイル軸が基板に平行であるために、９０°方向の磁界が強められたと考えられる。

つまり、従来は、ループ状のアンテナのコイル軸が基板に垂直であるため、基板に垂直な方向（つまり、０°方向）の場合には、通信特性が維持できるが、９０°方向の場合には、ループ状のアンテナのコイル軸が磁界の向きと垂直になるため通信特性が悪くなるが、本実施例では、９０°方向の場合には、コイル部のコイル軸が磁界の向きと一致するため、通信特性を維持することができる。

このことは図１８に示すように、端末２８、２９同士を横並びで画面を見ながらのデータ交換等を行う端末間通信（ピアツーピア）において有利であり、また、従来主に行われている支払いや改札等の端末背面方向への通信（図１５の０°方向）と両立できているため、本発明は非常に有効であると言える。

なお、本実施例ではループ状のアンテナを利用しているが、図１１に示すように、金属体６上に実装されたコイル部２の端子１６が、金属体６のグランドへ接続されている形状にしてもよい。

この場合、端子１６同士を金属体６に密着させた被覆銅線で接続した場合を考えてみると、この部分の銅線で誘導される電流はないため、端子１６同士の電位は等しいことがわかる。

したがって、端子１６を金属体６へ接続することができ、アンテナ入出力用端子４からコイル部２、端子１６を通って金属体６を経由しもう一方の端子１６とコイル部２を通って入出力端子５へと繋がるループ状の経路が形成される。こうすることでループ状のアンテナ１の導体の一部を省略でき、端末設計が簡略化できる。

次に、本発明のアンテナ装置を携帯端末に搭載する場合について、詳細に説明する。図１２は本発明の実施例における携帯端末を分解した場合の斜視図である。

携帯端末２０は液晶パネル２１、操作用のボタン２２、筐体２５と筐体２６、その中に収められる基板２３、バッテリー２４等で構成されている。本発明のループ状のアンテナ１およびコイル部２、コア３、アンテナ入出力用端子４、５は筐体２６内側の形成されている。ループ状のアンテナ１の線路、アンテナ入出力用端子４、５は板金や金属箔テープ、あるいは印刷等によって形成され、コイル部２は粘着テープによる貼り付けやビスによる固定等で所定の場所に取り付ける。ループ状のアンテナ１の線路とコイル部２の接続は、コネクタや圧着等の接触接続、あるいは、はんだ付けや溶接等によって行われ、アンテナ入出力用端子４、５とＩＣの接続はピンによる接触やコネクタ接続、導線のはんだ付け等が考えられる。筐体２６と基板２３の間にできる空間にはＲＦ−ＩＤ用ＩＣや整合回路、他周波用アンテナ、カメラユニット、スピーカー、ＲＦモジュール等の部品が配置され、これらの部品とループ状のアンテナ１およびコイル部２、コア３が接していても離れていても良好な通信ができる。

また、図１〜３では金属体６の端面は平面で形成されており、コイル部２も直線の導体で形成されているが、図２０のように金属体６の端面は曲面であってもよく、コイル部２も金属体６の曲面に合わせた曲線状で形成されていてもよい。

本発明のアンテナ装置によれば、アンテナとアンテナを搭載する筐体にある金属体との距離によらず、アンテナの通信特性を維持することができるため、携帯電話等の様々な電子機器のアンテナとして有用である。

１ ループ状のアンテナ
２ コイル部
３ コア
４、５ アンテナ入出力用端子
６ 金属体
７、１４ 電流
８、１０、１１、１２、１３ 磁界
９ 渦電流
１６ 端子
２０ 携帯端末
２１ 液晶パネル
２２ ボタン
２３ 基板
２４ バッテリー
２５、２６ 筐体
２７ 基板

Claims (6)

1. ループ状のアンテナと、
   前記ループ状のアンテナの線路に挿入されているコイルと、を備え、
   前記コイルは、前記アンテナの線路によって囲まれる開口面に起立状態で巻回配置され、前記開口面に平行であるとともに前記開口面の外部から内部へと通じる方向のコイル軸を有したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記ループ状のアンテナに前記コイルを複数設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記コイルを構成する導体は、１周または複数周より略半周分多い巻回数だけ巻回されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記ループ状のアンテナの開口面の一方の面に設けた金属体を設け、前記コイルにおける前記金属体側の面に巻回された前記導体の本数が、前記金属体側の面とは反対側の面に巻回された前記導体の本数より少ないことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記コイルが前記ループ状のアンテナの向かい合う２辺に挿入されていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
6. 前記ループ状のアンテナが金属体に近接して配置されたとき、前記コイルが前記金属体の端部にあるように構成したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。

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