JP4894960B2 - 電子機器 - Google Patents

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この発明は、外部機器と電磁界信号を介して通信するRFID(Radio Frequency Identification)システム等に用いられる電子機器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が特許文献1に開示されている。図1は特許文献1に記載されるアンテナ装置の構造を示す正面図である。

図1に示されるアンテナコイル30は、フィルム32a上の平面内で導体31(31a,31b,31e,31d)を渦巻き状に巻回して構成された空芯コイル32と、その空芯コイル32の平面とほぼ平行となるように空芯コイル32に挿入された平板状の磁芯部材33とを備えている。空芯コイル32には孔32dが設けられ、この孔32dに磁芯部材33が挿入されている。第1ターミナル31aと連結導体31eとはスルーホール32bで連結され、第2ターミナル31bと連結導体31eとはスルーホール32cで連結されている。そして、この磁性体アンテナが導電板34上に配置されている。

特開2002−325013号公報

図1に示した特許文献1の磁性体アンテナは、裏面が金属板であり、磁束は横方向(図1に示した状態では右から左方向)に抜け、それによってコイル導体に起電力が発生し、電流が流れる。

ところが、特許文献1の磁性体アンテナは、図1に示したとおり、背後の導電板34に平行な磁束と結合させる構造である。そのため、導電板34の中心付近にアンテナコイルを置くと、短い距離範囲でしか通信できず、使い勝手が悪いという問題がある。

そこで、この発明の目的は、通信可能最長距離を長くできるようにしたアンテナ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電子機器は、アンテナコイルと前記アンテナコイルに近接配置された平面導体とを有する電子機器であって、
前記アンテナコイルはスパイラル状に形成されたコイル導体と、前記コイル導体の形成位置の内側の開口部に挿入され、第1主面及び第2主面を有する板状の磁性体コアとを備え、
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って、
前記アンテナコイルは、前記磁性体コアの第1主面または第2主面が前記平面導体に沿うように、且つ前記磁性体コアの端部のうち一方が前記平面導体の一辺より外側に位置し、前記磁性体コアの端部のうち他方が前記平面導体の形成領域の内側に位置するように配置されていることを特徴とする。

また、前記アンテナコイル及び前記平面導体は、例えば矩形状の筐体に収められている。

また、前記アンテナコイルは、例えば前記筐体の長手方向の端部に配置されている。

この発明によれば、通信可能最長距離の長い高感度な電子機器が得られる。

特許文献1に記載されるアンテナ装置の構造を示す正面図である。 第1の実施形態に係る磁性体アンテナ及びアンテナ装置の概略構成を示す図である。 図3(A)はアンテナ101の磁束の分布及び指向性を表す図、図3(B)は、第1の実施形態に係るアンテナと対比するために示す従来構造のアンテナの磁束の分布及び指向性を示す図である。 第1の実施形態に係るアンテナ101を備えた携帯電話端末等の電子機器とRFID用のICカードとの間で通信を行う状態を示す図である。 平面導体2とアンテナコイル21との位置関係について示す図である。 図6(A)は、平面導体2とアンテナコイル21との位置関係について示す平面図である。図6(B)は、第1の実施形態に係るアンテナコイル21と、従来構造のアンテナコイル20について、距離Xと結合係数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23の組み立て前の平面図、図7(B)はそのアンテナコイル23の平面図である。 図8(A)は第2の実施形態に係るアンテナコイル23を備えたアンテナ103の下面図、図8(B)はその正面図である。図8(C)は、回路基板である平面導体2を収納する筐体203の内側にアンテナコイル23を固定した例である。 第1の導体部分11と第2の導体部分12との間をつなぐコイル導体の最も狭い部分の幅をW、平面導体の一辺に対して直角方向の磁性体コアの長さをYとしたとき、WとYとの積を一定にしてWを変化させたときの、Wと結合係数との関係を示す図である。 図10(A)は第3の実施形態に係るアンテナコイル24Aの組み立て前の平面図、図10(B)はそのアンテナコイル24Aの平面図である。 図11(A)は第3の実施形態に係る別のアンテナコイル24Bの組み立て前の平面図、図11(B)はそのアンテナコイル24Bの平面図である。 図12(A)は第3の実施形態に係る別のアンテナコイル24Cの組み立て前の平面図、図12(B)はそのアンテナコイル24Cの平面図である。

《第1の実施形態》
図2は第1の実施形態に係る電子機器が備えるアンテナコイルの構成およびアンテナの概略構成を示す図である。
図2(A)は、アンテナコイル21と、それを実装する回路基板などの矩形板状の平面導体2とを備えるアンテナ101の斜視図である。図2(B)は、前記アンテナ101の正面図である。

磁性体コア1は矩形板形状のフェライトコアであり、図2における下面が第1主面MS1、上面が第2主面MS2である。この磁性体コア1には図2に示すようにコイル導体CWが巻回されている。図中の符号11で示す部分はコイル導体CWのうち、磁性体コア1の第1主面MS1に近接する第1の導体部分である。また、図中符号12で示す部分は磁性体コア1の第2主面MS2に近接する第2の導体部分である。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。

前記アンテナコイル21は平面導体2の中心より所定の一辺(図2における右側の辺)S寄りに配置されている。また、第1の導体部分11と第2の導体部分12とは、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(透視して)重ならないように配置されている。そして、第2の導体部分12は第1の導体部分11に比べて平面導体2の中心より遠い位置関係にそれらが配置されている。さらに、コイル導体CWのコイル軸CAは平面導体2の前記一辺Sに対して垂直である。

図3(A)は前記アンテナ101の磁束の分布及び指向性を表す図である。また図3(B)は、第1の実施形態に係るアンテナと対比するために示す従来構造のアンテナの磁束の分布及び指向性を示す図である。前記アンテナ101は、そのアンテナコイル21が平面導体2よりリーダライタ側アンテナ301に近接する位置関係に配置される。この状態は、前記アンテナ101が内蔵された電子機器をリーダライタの読取部にかざす状態である。

前記コイル導体CWのうち、第2の導体部分12が第1の導体部分11に比べて平面導体2の中心より外側に位置しているので、アンテナコイル21の磁性体コアを通過する磁束Hのループの長軸は図に示すように平面導体2の面に対して傾く。すなわち、平面導体2の法線方向(Z軸方向)の成分が強くなる。これに伴いアンテナ101の指向性ビームDBはリーダライタ側アンテナ301の中心方向を向くことになる。

一方、図3(B)に示すように、磁性体コアの第1主面と第2主面にそれぞれ近接する第1の導体部分と第2の導体部分が表裏面で重なる位置関係にある従来のアンテナコイル20では、その磁性体コアを通過する磁束Hのループの長軸は平面導体2と平行となり、アンテナの指向性ビームDBは平面導体2の面に沿った方向に向く。そのため、リーダライタ側アンテナ301に対してアンテナ100を平行に近接させると通信可能最長距離が短くなり、寧ろ、リーダライタ側アンテナ301に対してアンテナ100を傾けて近接させる方が通信可能な最長距離が延びることになる。

これに対して、第1の実施形態によれば通信可能最長距離を長くでき、しかもアンテナ101の中心とリーダライタ側アンテナ301の中心とが一致した状態で通信可能最長距離が得られる。

次に、RFID用のICカードと前記アンテナ101を備えた携帯電話端末等の電子機器との間で通信を行う例について示す。
図4はRFID用のICカードと前記アンテナ101を備えた携帯電話端末等の電子機器との配置関係を示す図である。平面導体2の端部にアンテナコイル21が配置されることによって構成されたアンテナが電子機器の筐体201に収められている。図4(A)は、その電子機器とICカード401とを同じ縦方向にして近接させた状態、図4(B)は両者を直交状態に配置した状態である。ICカード401の内部には、その外周に沿って複数ターンのアンテナコイルが形成されていて、アンテナコイル21と磁気的に結合する。

このように、平面導体2の端部にアンテナコイル21を配置したことにより、平面導体2とほぼ同一サイズのICカードを近接させた時、ICカード401のアンテナコイルとこの実施形態に係るアンテナのアンテナコイル21とのコイル導体同士の距離が近接するので、アンテナ間の強い結合が得られる。

このように、例えば100mm程度離れたリーダライタとの間での通信だけでなく、ICカードとほぼ接した状態で通信を行う場合にも適応できる。

すなわち、本発明のアンテナは、平面導体の端部にアンテナコイルを配置した時にも良好な通信性能が得られるようなコイル導体の巻き方になっている。磁性体コアの周囲に単にコイル導体を巻回しただけの従来構造のアンテナコイルを用いたアンテナと比較して、通信に寄与する磁界強度が強く、高い通信性能(通信可能距離や通信データの誤り率等に関する性能)が得られる。

図5は平面導体2とアンテナコイル21との位置関係について示す図である。ここで、平面導体2の一辺Sに近い側のアンテナコイル21の端部から前記一辺Sまでの距離をX、平面導体2の一辺Sに対して直角方向のアンテナコイル21の長さをYとする

前記XとYの関係について、図6を参照して接続する。
図6(A)は、平面導体2とアンテナコイル21との位置関係について示す平面図である。この例では、平面導体2は42mm×90mm、アンテナコイル21は20mm×15mmとしている。図6(B)は、第1の実施形態に係るアンテナコイル21と、従来構造のアンテナコイルについて、前記距離Xと結合係数との関係を示す図である。ここで、比較例である従来構造のアンテナコイルは、磁性体コアの第1主面と第2主面にそれぞれ近接する第1の導体部分と第2の導体部分が表裏面で重なる位置関係にある。また、リーダライタのアンテナは100×100mmとし、そのアンテナと30mmの距離で対向させた。

図6(B)に表れているように、X<15mmのときに、アンテナコイル21の結合係数が従来構造のアンテナコイルより大きくなっている。今、Y=15mmであるので、Y>Xの関係とすることによって、従来構造のアンテナコイルに比べて高い結合係数が得られることがわかる。

本発明においては、前記寸法Xはマイナスの値とする。すなわち図5(B)のように、アンテナコイル21の端部が平面導体2の一辺Sより外側にある
このような関係とすることにより、図3(A)に示した指向性ビームDBの向きを立ち上げることができ、本発明の目的を達することができる。

《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23の組み立て前の平面図、図7(B)はそのアンテナコイル23の平面図である。フレキシブル基板10にはスパイラル状のコイル導体CWが形成されていて、スパイラル状コイル導体の形成位置の中心に貫通孔Aを備えている。磁性体コア1はフレキシブル基板10の貫通孔A部分に挿入されて、図7(B)に示されるアンテナコイル23が構成される。

図8(A)は前記アンテナコイル23を備えたアンテナ103の下面図、図8(B)はその正面図である。アンテナコイル23は、回路基板である平面導体2の一辺の中央部に沿った位置に実装される。

図8(C)は、図8(A),図8(B)の例とは異なり、回路基板である平面導体2を収納する筐体203の内側にアンテナコイル23を固定した例である。この場合でも、第2の導体部分12が第1の導体部分11に比べて平面導体2の中心より遠い位置に配置される。
このようにして第1の実施形態で述べたと同様の作用効果を奏する。

図7(B)に示したように、第1の導体部分11と第2の導体部分12との間をつなぐコイル導体の最も狭い部分の幅をW、前記平面導体の前記一辺に対して直角方向の前記磁性体コアの長さをYとしたとき、WとYとの関係について、図9を参照して説明する。
図9は、WとYとの積を15×15=225mm2 で一定にし、Wを変化させたときの、Wと結合係数との関係を示す図である。この例では、リーダライタのアンテナは100×100mmとし、そのアンテナと30mmの距離で対向させた。

W<Yのとき(W<15mmのとき)は、Wが小さくなるほど結合係数が小さくなり、通信性能が悪化する。したがって、W≧Yの関係とすることによって、良好な通信性能が確保できる。
《第3の実施形態》
図10〜図12は第3の実施形態に係るアンテナコイル24A,24B,24Cのそれぞれの構成を示す図である。図10(A)はアンテナコイル24Aの組み立て前の平面図、図10(B)はそのアンテナコイル24Aの平面図である。図11(A)はアンテナコイル24Bの組み立て前の平面図、図11(B)はそのアンテナコイル24Bの平面図である。同様に、図12(A)はアンテナコイル24Cの組み立て前の平面図、図12(B)はそのアンテナコイル24Cの平面図である。

図7に示したアンテナコイル23と異なるのは磁性体コア1の磁束の出入りする端部が他の部分より太く形成されていることである。図10に示すアンテナコイル24Aでは磁性体コア1は、その一方の端部が全体に広く(太く)形成されている。図11のアンテナコイル24Bでは磁性体コア1の一方の端部が台形状に広がっている。図12のアンテナコイル24Cの例では、磁性体コア1は、その中央より両端部にかけて幅が広くなる形状である。

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を通る磁束が大きくなり、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。

A…貫通孔
CA…コイル軸
CW…コイル導体
DB…指向性ビーム
H…磁束
MS1…第1主面
MS2…第2主面
S…一辺
1…磁性体コア
2…平面導体
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
21,23…アンテナコイル
24A,24B,24C…アンテナコイル
100,101,103…アンテナ
201,203…筐体
301…リーダライタ側アンテナ
401…ICカード

Claims (3)

  1. アンテナコイルと前記アンテナコイルに近接配置された平面導体とを有する電子機器であって、
    前記アンテナコイルはスパイラル状に形成されたコイル導体と、前記コイル導体の形成位置の内側の開口部に挿入され、第1主面及び第2主面を有する板状の磁性体コアとを備え、
    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って、
    前記アンテナコイルは、前記磁性体コアの第1主面または第2主面が前記平面導体に沿うように、且つ前記磁性体コアの端部のうち一方が前記平面導体の一辺より外側に位置し、前記磁性体コアの端部のうち他方が前記平面導体の形成領域の内側に位置するように配置されていることを特徴とする電子機器。
  2. 前記アンテナコイル及び前記平面導体は、矩形状の筐体に収められている、請求項1に記載の電子機器。
  3. 前記アンテナコイルは、前記筐体の長手方向の端部に配置されている、請求項2に記載の電子機器。
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