JP4798317B2

JP4798317B2 - アンテナ装置及び携帯端末

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Publication number: JP4798317B2
Application number: JP2011506266A
Authority: JP
Inventors: 邦明用水; 宏充伊藤; 浩行久保
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: JPWO2011036914A1; US20120176283A1; CN102598412B; WO2011036914A1; US8922444B2; CN102598412A

Description

この発明は、電磁界信号を介して外部機器と通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられるアンテナ装置及びそれを備えた携帯端末に関するものである。

ＲＦＩＤシステムで用いられる携帯電子機器に搭載されるアンテナ装置が特許文献１に開示されている。特許文献１のアンテナ装置は、コイル巻回領域の中心部を挟んで相対向する二つの位置の巻線間隔を異ならせた非対称形状のコイルを備え、巻線間隔の大きな側では、ＩＣカードと対向する主面の反対側に磁性体を配置し、巻線間隔の小さな側では、ＩＣカードと対向する主面に磁性体を配置したものである。

特許第３９７５９１８号公報

ところが、特許文献１に示されているアンテナ装置を備えた電子機器をリーダライタにかざす際に、電子機器のアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置との成す角度によっては通信が不能になるおそれがある。すなわち、ＩＣカードと携帯端末とが平行状態で通信を行う場合には問題が少ない。しかしＩＣカードではなく、備え付けのリーダライタなどと通信を行う場合には、携帯端末とリーダライタの位置（角度）が一定とならず通信性能が劣化する問題がある。

図１は、特許文献１に示されたアンテナ装置と同様のアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置との成す角度を変えたときの、アンテナ装置のコイルを鎖交する磁束について示す図である。図１中の実線の矢印及び破線の矢印はいずれも磁束を模式的に表している。

磁性体コア１の第１主面は平面導体２に近い側に対面し、コイル導体のうち第１の導体部分１１は磁性体コア１の第１主面に近接し、コイル導体のうち第２の導体部分１２は磁性体コア１の第２主面に近接する。そして、磁性体コア１と前記コイル導体とによるアンテナコイルが平面導体２の端部付近に配置されて、アンテナ装置が構成される。

図１（Ａ）のように、磁性体コア１とリーダライタ側アンテナ装置３０とが平行である場合には、すなわち、両者の成す角度が０°の場合は、磁性体コア１に対して右側から入る磁束（実線）が左側から入る磁束（破線）より大きく、コイルには起電力が発生する。

しかし、その状態から角度をつけた状態にすると、リーダライタから離れた側（右側）から入る磁束が減少し、リーダライタに近い側（左側）から入る磁束が増加するため、ある角度で左右の磁束が完全に等しくなり、起電力が発生しないポイントが発生する。このような状態では通信不能となる。

そこで、この発明の目的は、リーダライタの読み取り面に対して成す角度に依存する通信性能の劣化を抑えたアンテナ装置及びそれを備えた携帯端末を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明のアンテナ装置は、第１主面及び第２主面を有する板状の磁性体コアと、この磁性体コアに巻回されたコイル導体と、を備えたアンテナコイル、及び前記アンテナコイルが近接する平面導体を備え、
前記アンテナコイルは、前記平面導体の端部又は端部付近で、前記平面導体を挟んで通信相手（リーダライタ）のアンテナとは反対面側に配置され、
前記コイル導体のうち、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体コアの平面透視で（第１主面または第２主面の法線方向から見て）重ならない位置にあり、
前記磁性体コアの第２主面は前記平面導体に対面し、
前記第１の導体部分は前記第２の導体部分に比べて前記平面導体の端部寄りに配置されたものとする。

例えば、前記磁性体コアは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である。

また、例えば、前記磁性体コアは、前記第１の導体部分に近接する部分が他の部分より太い。

また、例えば、前記磁性体コアの前記第１の導体部分寄りの端部は前記平面導体の端部より外方にはみ出た位置で前記平面導体の方向へ折り曲げられている。

この発明の携帯端末は、前記のいずれかに記載のアンテナ装置を筐体内に備えたものである。

この発明によれば、リーダライタのアンテナに対して前記アンテナ装置の成す角度が０°〜９０°の範囲内で、コイル導体を鎖交する互いに逆方向の磁束が等しくなることがなく、すなわち磁束を互いに打ち消しあうことがなく、０°〜９０°以上の範囲又はそれ以上の範囲で通信を安定に行うことができる。

また、磁性体コアを、小片化された焼結磁性体で構成することにより、アンテナコイル全体に柔軟性をもたせることができ、携帯端末等の組み込み先電子機器の筐体内に高い自由度のもとで組み込める。

また、磁性体コアの第１の導体部分に近接する部分を他の部分より太くすることによって、磁気抵抗が低下し、通信性能が向上する。
また、磁性体コアの第１の導体部分寄りの端部を平面導体の端部より外方にはみ出た位置で平面導体方向へ折り曲げられた形状であれば、磁気抵抗が低下し、通信性能が向上する。

特許文献１に示されたアンテナ装置と同様のアンテナ装置と、リーダライタのアンテナ装置と、の成す角度を変えたときの、アンテナ装置のコイルを鎖交する磁束について示す図である。第１の実施形態に係るアンテナ装置を備えた携帯端末の内部の構成を示す断面図である。図３（Ａ）はアンテナ装置１０１の平面図、図３（Ｂ）はアンテナ装置１０１の正面図である。アンテナ装置を筐体内に納めた携帯端末２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θについて示す斜視図である。図４に示した角度θを変化させたときのアンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。図７（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図７（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。図８（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図８（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。携帯端末内へのアンテナコイルの設置状態を示す図である。図１０（Ａ）はアンテナ装置１０４の平面図、図１０（Ｂ）はアンテナ装置１０４の正面図である。リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るアンテナ装置を備えた携帯端末の内部の構成を示す断面図である。
携帯端末の筐体２００の内部には、回路基板２０及びアンテナコイル２１によるアンテナ装置１０１が設けられている。また、アンテナコイル２１とは重ならない位置に電池パック４１及び液晶表示パネル４２が配置されている。

図３（Ａ）は前記アンテナ装置１０１の平面図、図３（Ｂ）は前記アンテナ装置１０１の正面図である。
磁性体コア１は矩形板形状に成形されたフェライトのコアである。この磁性体コア１にはコイル導体ＣＷが巻回されている。具体的には、フレキシブル基板１０に矩形渦巻き状のコイル導体ＣＷが形成されていて、その渦巻きの中心部に矩形の開口が設けられていて、その開口に磁性体コア１が挿入されている。

コイル導体ＣＷは、磁性体コア１の第１主面ＭＳ１に近接する第１の導体部分１１、及び磁性体コア１の第２主面ＭＳ２に近接する第２の導体部分１２を備えている。前記磁性体コア１とコイル導体ＣＷとによってアンテナコイル２１が構成されている。

回路基板２０には面状に広がるグランド電極が形成されている。このグランド電極がこの発明に係る平面導体である。
アンテナコイル２１は、磁性体コア１の第２主面ＭＳ２が回路基板２０に対面し、第１の導体部分１１が第２の導体部分１２に比べて回路基板２０の端部寄りになるように配置されている。

また、コイル導体ＣＷのうち、磁性体コア１の第２主面ＭＳ２に近接する第２の導体部分１２と、磁性体コア１の第１主面ＭＳ１に近接する第１の導体部分１１とは、磁性体コア１を平面透視で（磁性体コア１の第１主面ＭＳ１または第２主面ＭＳ２の法線方向から見て）重ならない位置にある。
なお、アンテナコイル２１のコイル導体ＣＷの両端は回路基板２０上の所定の端子電極に接続される。この接続構造については図示を省略している。

図４は、アンテナ装置を筐体内に納めた携帯端末２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θについて示す斜視図である。図２に示されているように、回路基板２０は携帯端末の筐体に沿って配置されているので、リーダライタ側アンテナ装置３０に対して携帯端末２０１を平行に配置した状態で、アンテナ装置１０１はリーダライタ側アンテナ装置３０に対して平行に配置されることになる。このときの角度θは０°である。

図５は、図４に示した角度θを変化させたときのアンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。図５中の破線の矢印線は磁束の経路を模式的に表している。
θ＝０°のとき、リーダライタの磁束は、回路基板２０を迂回して磁性体コア１の一方端から入射し、コイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。
θ＝４５°のとき、リーダライタの磁束は、磁性体コア１に対してほぼ４５°方向に入射し、コイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。このとき、図１（Ｂ）に示したようなコイル導体ＣＷの形成領域の中心部を逆方向に通過する磁束は非常に小さい。
θ＝９０°のとき、リーダライタの磁束は、磁性体コア１の一方端から入射し他方端から出射するとともにコイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。このときも、コイル導体ＣＷを過ぎる磁束の方向は同じである。

θ＝１３５°のとき、リーダライタの磁束は、磁性体コア１に対してほぼ１３５°方向に入射し、コイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。このときも、図１（Ｂ）に示したようなコイル導体ＣＷに対して逆方向に通過する磁束は非常に小さい。
したがって、携帯端末２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θがどのような値であっても、磁性体コアを両方向に通過する磁束同士で互いに磁束を打ち消すような状況が生じない。

図６はリーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。図６において、折れ線Ｅは、第１の実施形態に係るアンテナ装置の特性、折れ線Ｐは、図１に示した従来構造のアンテナ装置の特性である。従来構造のアンテナ装置では、角度θが３０°〜５０°付近で最大通信距離が極端に短くなるが、本発明のアンテナ装置によれば、角度θが０°〜９０°（９０°以上）の全ての範囲に亘って最大通信距離を大きく保つことができることが分かる。

《第２の実施形態》
図７（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図７（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。
図３に示したアンテナコイル２１と異なるのは、磁性体コア１の一方端が他の部分より太く形成されていることである。

このような形状の磁性体コア１を用いることにより、磁性体コア１を通る磁束が強くなり、通信相手のアンテナとの磁界結合を強めることができ、通信可能最長距離が長くなるなど、通信性能が向上する。特に、磁性体コア１の第１の導体部分１１に近接する部分を他の部分より太くすることによって、回路基板の端部付近での集磁効果が高まり、通信性能がより向上する。

なお、図７に示したアンテナコイル２２では、磁性体コア１の一方の端部の全体が広く（太く）形成されているが、この部分は外側程広い台形状であってもよい。また、磁性体コア１の中央から両端部にかけて共に幅が広くなる蝶形状であってもよい。

《第３の実施形態》
図８（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図８（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。このアンテナコイル２３は、矩形板形状の磁性体コア１とコイル導体が形成されたフレキシブル基板１０を備えている。図７（Ｂ）に示されているアンテナコイル２２と異なるのは、磁性体コア１の構造である。

図８（Ａ）に示されている磁性体コア１は、フェライト粉などの磁性体粉と樹脂材との混成体をシート状に成形し、さらにそれを複数に小片化したものを焼結して焼結磁性体を作成し、複数の小片の両面をフィルムでラミネートしたものである。図８中の破線で区切られた部分は、焼結磁性体の小片を表している。このような構成により、磁性体コア１全体は柔軟性をもつことになる。

図９は、携帯端末内へのアンテナコイルの設置状態を示す図である。この例では、アンテナコイル２３が携帯端末の筐体２００の内面に貼付されている。アンテナコイル２３は柔軟性があるので、筐体内の単一平面に限らずに、筐体の内面に沿って設けることができる。そのため、種々の形状の筐体内に容易に組み込める。

《第４の実施形態》
図１０（Ａ）はアンテナ装置１０４の平面図、図１０（Ｂ）はアンテナ装置１０４の正面図である。
図３に示した第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なるのは、アンテナコイル２４の構成及びその配置位置である。

第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４に備える磁性体コア１は、概略的には矩形板形状のフェライトコアであるが、第１の導体部分１１寄りの端部が回路基板２０の端部より外方にはみ出た位置で回路基板２０方向へ折り曲げられた折り曲げ形状部ＡＥを構成する。

また、磁性体コア１の折り曲げ形状部ＡＥが回路基板２０の端部より外方にはみ出ているので、アンテナコイル２４は、図３に示した状態より、回路基板２０の外方寄りの位置に配置されている。その他は図３に示した第１の実施形態の場合と同様である。

このような形状の磁性体コア１を用い、アンテナコイルの配置位置を定めたことにより、磁性体コア１を通る磁束が強くなり、回路基板の端部付近での集磁効果も高まり、通信相手のアンテナとの磁界結合を強めることができ、通信可能最長距離が長くなるなど、通信性能が向上する。

図１１は、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。図１１において、折れ線Ｅは、第４の実施形態に係るアンテナ装置の特性、折れ線Ｒは、図７に示したアンテナコイルを備えたアンテナ装置の特性である。図７に示したアンテナコイルを備えたアンテナ装置に比べ、本実施形態のアンテナ装置によれば、角度θが０°〜９０°の全ての範囲に亘って最大通信距離を大きく保つことができることが分かる。

なお、以上に示した各実施形態では、基板のグランド電極を平面導体の例として示したが、液晶表示パネルの背面に配置されるシールド板、筐体の内面に形成されている導体膜や導体箔、さらには電池パックを平面導体として扱い、アンテナ装置を構成することもできる。

ＣＷ…コイル導体
ＭＳ１…第１主面
ＭＳ２…第２主面
１…磁性体コア
１０…フレキシブル基板
１１…第１の導体部分
１２…第２の導体部分
２０…回路基板
２１，２２，２３，２４…アンテナコイル
３０…リーダライタ側アンテナ装置
４１…電池パック
４２…液晶表示パネル
１０１，１０４…アンテナ装置
２００…筐体
２０１…携帯端末

Claims

第１主面及び第２主面を有する板状の磁性体コアと、この磁性体コアに巻回されたコイル導体と、を備えたアンテナコイル、及び前記アンテナコイルが近接する平面導体を備えたアンテナ装置において、
前記アンテナコイルは、前記平面導体の端部又は端部付近で、前記平面導体を挟んで通信相手のアンテナとは反対面側に配置され、
前記コイル導体のうち、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体コアの平面透視で重ならない位置にあり、
前記磁性体コアの第２主面は前記平面導体に対面し、
前記第１の導体部分は前記第２の導体部分に比べて前記平面導体の端部寄りに配置された、アンテナ装置。
前記磁性体コアは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記磁性体コアは、前記第１の導体部分に近接する部分が他の部分より太い、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
前記磁性体コアの前記第１の導体部分寄りの端部は前記平面導体の端部より外方にはみ出た位置で前記平面導体の方向へ折り曲げられている、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置を筐体内に備えた、携帯端末。