JP4953996B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、例えばＨＦ帯域を使用したＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用の通信機器に好適した平面アンテナに関するものである。

この種の平面アンテナは一般的に、薄型化したアンテナモジュールとして通信機器内に組み込まれることが多い。このような通信機器内には、アンテナモジュールの他にも電子回路基板や金属基板（筐体）等の導電体が存在する。このため、アンテナモジュールを用いた通信時にアンテナの機能と直接関係のない他の導電体に対してアンテナの磁界（正磁界）が影響すると、そこで発生した渦電流によって反磁界（正磁界と逆向きの磁界）が発生し、アンテナの通信性能（通信距離や感度）を悪化させることがある。

このような通信性能の悪化を防ぐために、アンテナモジュールの近傍（例えば、アンテナモジュールの裏面）に磁性体を設けることで、他の導電体に対する磁界の影響を遮断する先行技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この先行技術では、アンテナモジュールと他の導電体（プリント基板上の銅箔）との間にシート状の磁性体を配置することで、アンテナから発生する磁界を磁性体によって遮断し、他の導電体に渦電流が発生するのを防止している。
特開２００５−１２２５９５号公報（図２、図３）

しかしながら、先行技術のようにシート状の磁性体によって磁界の影響を遮断し、アンテナの通信性能を充分なレベルに保つためには、磁性体の厚さもある程度に確保しておく必要があり、さらなる薄型化は困難である。

また、先行技術のようにアンテナモジュールに対してシート状の磁性体を追加する構成では、その追加作業（例えば貼り付け作業）に対する工数がかさみ、その分、製造コストの上昇を招くという問題がある。

さらに、シート状の磁性体は柔軟な素材であるため、その取付作業時の応力で磁性体が変形したり、取付位置にばらつきが生じたりすると、たとえアンテナモジュールの製品性能にばらつきがなくても、追加した磁性体のばらつきの影響で通信特性（共振周波数）が不均一化するという問題もある。

そこで本発明は、アンテナモジュール全体としてのさらなる薄型化を図り、通信性能の不均一化を防止することができる技術の提供を課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の解決手段を採用する。
すなわち本発明は、絶縁基板にアンテナ導体を形成した平面アンテナ（フラットアンテナ）である。アンテナ導体は基板上に配線パターンとして形成されていてもよいし、基板の内層に埋め込まれた状態で形成されていてもよい。いずれにしても、アンテナ導体は基板に対してループ状に形成されており、基板の一方の面を通信時のアンテナ面（通信用の磁界を発生させたり、他からの磁界を感受したりする面）として使用する。

また本発明では、絶縁基板に対して第１の軟磁性体及び第２の軟磁性体がそれぞれ設けられている。このうち第１の軟磁性体は、基板の厚み方向でみてアンテナ面側に位置し、もう一方の第２の軟磁性体は、これと反対側に間隔を置いて位置している。

本発明の平面アンテナによれば、第１，第２の軟磁性体をそれぞれ薄型化した場合であっても、両者を基板の厚み方向に離して配置することで、通信時に作用する磁束の漏れを有効に防止することができる。すなわち、磁束の漏れは基板を厚み方向に透過することによって発生するが、本発明では、２つの軟磁性体（第１，第２の軟磁性体）の間で基板を透過しようとする磁束を閉じ込め、各軟磁性体内に磁束を取り込むことで磁束の漏れを有効に防止することができる。なお、軟磁性体に取り込まれた磁束は軟磁性体内に誘導されて基板に沿う方向に通過し、基板の外周端（エッジ）から放出される。

特に本発明において、第１及び第２の軟磁性体は、絶縁基板の厚み方向でみてアンテナ導体よりもアンテナ面の反対側に位置している。例えば、基板の表面（アンテナ面）上にアンテナ導体が形成されている場合、第１，第２の軟磁性体は、基板の内層、又は裏面に位置することが好ましい。この場合でも、第１，第２の軟磁性体を基板の厚み方向に離して配置することで、磁束の漏れを有効に防止することができる。

その上で本発明における第１，第２の軟磁性体については以下の特徴を有する。

（１）第１の軟磁性体は、アンテナ面に沿う方向でみて（絶縁基板の平面視で）アンテナ導体のループよりも内側の範囲内に配置されている。
（２）第２の軟磁性体は、アンテナ導体のループより外側に拡がってアンテナ面に沿う方向に延びている。この場合、絶縁基板の平面視で第２の軟磁性体とアンテナ導体とが重なった状態にある。

先ず上記（１）に関して、第１の軟磁性体はアンテナ面側に配置されているため、主にアンテナ導体の周囲に発生する磁界（これを正磁界とする）を取り込んで誘導する役割を担っている。この場合、正磁界が有効に作用する範囲はアンテナ導体のループよりも内側であり、この範囲内だけに第１の軟磁性体を配置することで、材料の使用量を最小に抑えることができる。

一方、上記（２）に関して、第２の軟磁性体はアンテナ面と反対側に配置されている。このため第２の軟磁性体は、第１の軟磁性体をも透過した正磁界を取り込んで誘導することにより、正磁界を第１の軟磁性体との間に閉じ込めて磁束の漏れを防止する。さらに第２の軟磁性体は、外部（例えば他の導電体）から飛来する磁界（反磁界となるもの）を取り込んで誘導することにより、反磁界の影響を弱める役割をも担う。外部からの反磁界は、アンテナ導体の内側だけでなく、アンテナ導体の外側にも作用する可能性があるため、第２の軟磁性体をアンテナ導体のループよりも外側まで拡げて配置することにより、反磁界の影響を有効に防止することができる。

さらに本発明において、第１の軟磁性体又は第２の軟磁性体を絶縁基板の内層に設けてもよい。すなわち、絶縁基板を多層構造で形成し、その内層に第１の軟磁性体又は第２の軟磁性体を組み込んだ状態で基板と一体化した構造を採用する。なお、基板に内層化するのは第１の軟磁性体、第２の軟磁性体のいずれかだけでもよいし、その両方でもよい。

これにより、基板に対して別途、第１，第２の軟磁性体を追加する際の変形や位置ずれ等のばらつき要因をなくし、製品ごとにアンテナの通信特性（共振周波数）が不均一化するのを防止することができる。また、後から基板の表面や裏面に軟磁性体を追加（貼り付け）するための作業工数を減らし、それだけ製造コストの上昇を抑えることができる。

一般に、軟磁性体（軟質磁性材料）は透磁率（μ’）が高くて磁性損失（μ''）が低いという性質を有しているが、その上で本発明の平面アンテナにおいては、第２の軟磁性体の磁性損失が第１の軟磁性体の磁性損失よりも高く設定されていることが好ましい。

上記のように第１の軟磁性体は、通信時の正磁界を取り込んで誘導する（磁束を閉じ込める）役割を主としているが、第２の軟磁性体は磁束を閉じ込めることに加えて、外部からの反磁界の影響を弱める役割をも担っている。したがって、第１の軟磁性体については、正磁界を良好に誘導するため本来の性質（低磁性損失）を活かしつつ、一方で、第２の軟磁性体については、第１の軟磁性体よりも磁性損失を高めに設定することで、反磁界を消失させるのに有効な性質を持たせているのである。

より実用的には、第１の軟磁性体にはソフトフェライトを使用し、第２の軟磁性体には金属ガラスを使用する。

ソフトフェライトは、酸化鉄を主原料とする軟質磁性材料であり、他の軟質磁性材料（珪素鋼、パーマロイ等）と比較して飽和磁束密度はやや小さいものの、電気比抵抗が大きく、高周波領域における磁気特性に優れているため、本発明において第１の軟磁性体に好適な素材である。

金属ガラスは、鉄を主成分としたアモルファス（非結晶）合金であり、その高い透磁率によって軟磁性材料としての性質を示す上、ソフトフェライトと比較すると適度に磁性損失が高く、本発明において第２の軟磁性材料として好適な素材である。

またソフトフェライト、金属ガラスともに形状加工の自由度が高いことから、上記のように第１，第２の軟磁性体を基板の内層に設けることは容易である。

本発明の平面アンテナは、アンテナ導体から発生する磁界を用いて電磁誘導方式による近距離通信が可能である。特に、第１，第２の軟磁性体を用いて磁束の漏れを抑え、また外部からの反磁界の影響を防止する機能は、電磁誘導方式による通信特性の維持・向上に絶大な効果を発揮する。

本発明の平面アンテナは、通信用の正磁界が大きく漏れ出るのを防止するとともに、外部からの反磁界の影響を抑え、通信性能を高く維持することができる。また、第１，第２の軟磁性体をそれぞれ薄型化しても、これらを基板の厚み方向に離して配置することで間に磁束を閉じ込めることができ、その効果は先行技術のように単独で分厚いシート状の磁性体を用いた場合よりも大きい。このため、通信性能を維持・向上しつつ、平面アンテナ（モジュール）全体としてのさらなる薄型化が可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、例えばＲＦＩＤ用通信機器（リーダ／ライタ）に使用されるアンテナモジュール１０の一実施形態を概略的に示した平面図である。本実施形態のアンテナモジュール１０は、例えば矩形状の絶縁基板１２上にループ状のアンテナコイル１４（アンテナ導体）を形成した平面アンテナである。

アンテナコイル１４は、例えば樹脂製の絶縁基板１２の表面上に導電パターンとして形成されている。アンテナコイル１４は、絶縁基板１２の矩形状に合わせて四角形を基本としたループ形状（又はスパイラル形状）を有しており、その両端（内周端及び外周端）にはそれぞれ接続ランド１２ａ，１２ｂが形成されている。絶縁基板１２の表面には図示しない電気回路が形成されており、アンテナコイル１４は上記の接続ランド１２ａ，１２ｂを介して電気回路に接続されている。また絶縁基板１２の表面には、例えば図示しないチップコンデンサや発振器（ＡＣ電源）等の電子部品が実装されており、これら電子部品もまたアンテナコイル１４に接続されている。

本実施形態の場合、ＲＦＩＤ用通信機器内でアンテナモジュール１０の下方に例えばアルミニウム製の金属板（金属基板）１６が配置されている。この金属板１６は、通信機器内部の筐体や遮蔽板等として機能する部材であり、特にその形状や大きさは任意である。また金属板１６は、アンテナモジュール１０には直接関係しないものであってもよい。

次に図２は、絶縁基板１２及び金属板１６を含むアンテナモジュール１０の構造を示す縦断面図（図１中のII−II線）である。絶縁基板１２は多層構造をなしており、例えばその表面上に上記のアンテナコイル１４が形成されている他、内層にはフェライトコア１８及びリカロイシート２０が厚み方向（図２中の上下方向）に重なった状態で設けられている（なお「リカロイ」は軟磁性素材の登録商標である。）。

アンテナモジュール１０が組み込まれたＲＦＩＤ用通信機器は、その通信対象（例えば無線ＩＣカード）を図２中の上方向に相対させた状態で近距離通信を行う。このためアンテナコイル１４は、その通信時に絶縁基板１２の上方向に通信用の磁界を発生させるものであり、絶縁基板１２の上面がアンテナ面として使用されている。

〔第１の軟磁性体〕
上記のフェライトコア１８は、絶縁基板１２の内層でも、そのアンテナ面側（上側）に位置している。またフェライトコア１８は、絶縁基板１２のアンテナ面に沿う方向（図１の平面視）でみて、アンテナコイル１４の内側の範囲内だけに形成されている。本実施形態では、フェライトコア１８を例えばソフトフェライトで構成している。

〔第２の軟磁性体〕
上記のリカロイシート２０は、絶縁基板１２の内層でも、そのアンテナ面と反対側（下側）に位置している。またリカロイシート２０は、絶縁基板１２の厚み方向でみて、フェライトコア１８から間隔を置いた下層に位置している。なお、リカロイシート２０は絶縁基板１２のアンテナ面に沿い、その外周縁（図１の平面視で全域）まで拡がっている。このため図１の平面視では、絶縁基板１２の一角（右下隅）を内層まで破断したとき、リカロイシート２０がアンテナコイル１４よりも外側の範囲まで延びている様子が示されている。本実施形態では、リカロイシート２０を例えば金属ガラス（アモルファス金属）で構成している。

絶縁基板１２の全体の厚み（図中Ｔｂ）を例えば２ｍｍ以下とすると、フェライトコア１８は、その厚み（図中Ｔｆ）が例えば１ｍｍ未満に薄型化された内層部分である。フェライトコア１８の層は、絶縁基板１２のアンテナ面（上面）から深さＤ１（例えば、０．１ｍｍ程度）の位置に埋め込んだ状態で、アンテナ面と平行に形成されている。

またリカロイシート２０は、その厚み（図中Ｔｓ）が例えば１ｍｍ未満に薄型化された内層部分である。リカロイシート２０の層は、絶縁基板１２のアンテナ面と反対側の面（下面）から距離Ｄ２（例えば、０．１ｍｍ程度）の位置に埋め込んだ状態で、アンテナ面と平行に形成されている。

なお本実施形態では、絶縁基板１２の上面からフェライトコア１８までの深さ（Ｄ１）とその厚み（Ｔｆ）を加えても、絶縁基板１２内ではリカロイシート２０の上面に達していない。同様に、絶縁基板１２の下面からリカロイシート２０までの距離（Ｄ２）とその厚み（Ｔｓ）を加えても、同じく絶縁基板１２内ではフェライトコア１８の下面には達していないことになる。

したがって、絶縁基板１２の全体の厚み（Ｔｂ）に対するその他の関係は以下の式で表される。
Ｔｂ ＞ （Ｄ１＋Ｔｆ）＋（Ｄ２＋Ｔｓ）

また、絶縁基板１２内層でのフェライトコア１８の下面とリカロイシート２０の上面との間隔（図中Ｃ）は以下の式で表される。
Ｃ ＝ Ｔｂ−（Ｄ１＋Ｔｆ）−（Ｄ２＋Ｔｓ）

その他、ＲＦＩＤ用通信機器内でアンテナモジュール１０の下方に位置する金属板１６は、例えば厚み（図中Ｔａ）が１ｍｍ程度を有し、その上面から絶縁基板１２の下面までの間隔（図中Ｄ）が数ｍｍ程度に確保されているものとする。

〔通信性能の評価〕
次に、本実施形態のアンテナモジュール１０について、その通信性能の評価をシミュレーションによって行い、比較例との対比をもって本実施形態の優位性を検証する。

図３は、性能評価のシミュレーションで用いる評価・解析面のモデル図である。シミュレーションにおける評価・解析は以下に示す（１）〜（３）のポイントで行っている。

（１）水平磁界強度分布
シミュレーションでは先ず、絶縁基板１２のアンテナ面（上面）から所定距離（数十ｍｍ程度）離れた水平面（図中Ｈ）を仮想的に形成し、この水平面Ｈに流入する磁界強度分布を解析した。
（２）外部渦電流分布
またシミュレーションでは、通信時に金属板１６の上面（表面）に発生する渦電流分布を解析した。
（３）垂直磁界強度分布
さらにシミュレーションでは、絶縁基板１２の長手方向でみた中心位置を通る垂直断面（図中Ｖ）を仮想的に形成し、この垂直断面Ｖでみた磁界強度分布を解析した。

〔比較例〕
本実施形態に対する比較例１〜３として、それぞれ以下の条件を与えてシミュレーションを行った。
比較例１：絶縁基板１２に対してフェライトコア１８、リカロイシート２０をいずれも設けない構成である。その他の構成（アンテナコイル１４）は、本実施形態と同様とする。
比較例２：絶縁基板１２の内層にフェライトコア１８だけを設け、リカロイシート２０を設けない構成である。その他の構成（アンテナコイル１４）は、本実施形態と同様とする。
比較例３：絶縁基板１２の内層にフェライトコア１８、リカロイシート２０をいずれも形成せず、その下面に別の磁性体シートを貼り付けた構成である。その他の構成（アンテナコイル１４）は、本実施形態と同様とする。

〔本実施形態と比較例１との対比〕
先ず、本実施形態と比較例１との対比から説明する。
図４は、上記ポイント（１）の水平磁界強度分布及び（２）の外部渦電流分布の解析結果について、本実施形態と比較例１とを対比して示した図である。図４中の上段に示される（Ａ），（Ｄ）は上記のポイント（１）の水平磁界強度分布に関する解析結果を示し、図４中の中段に示される（Ｂ），（Ｅ）は、水平面Ｈ上で長手方向にみた磁界強度の分布を示している。そして図４中の下段に示される（Ｃ），（Ｆ）は、上記のポイント（２）の外部渦電流分布に関する解析結果を示している。以下、本実施形態と比較例１とを対比しつつ説明する。

（１）水平磁界強度分布
図４中（Ａ）：本実施形態について、上記の水平面Ｈに流入する磁界の分布範囲（境界線ＭＦ０）を示している。ＲＦＩＤの通信用として有効な強度の磁界（磁束）は主に境界線ＭＦ０の内側で発生しており、その外側では磁界強度が低くなっている。本実施形態では、水平面Ｈの広い範囲にわたって強い磁界が発生していることが分かる。

図４中（Ｂ）：また本実施形態の場合、水平面Ｈの長手方向でみた中央位置に磁界強度のピークがあり、そこから距離が大きくなると磁界強度が低下するという理想的な分布形状を示していることが分かる。

図４中（Ｄ）：これに対して比較例１では、同じ水平面Ｈに流入する磁界の分布範囲（境界線ＭＦ１の内側）が本実施形態よりも狭くなっている。
図４中（Ｅ）：また比較例１では、同じ水平面Ｈでも磁界強度が全体的に低く、そのピークも本実施形態に比較して一段と低いことが分かる。

（２）外部渦電流分布
図４中（Ｃ）：本実施形態について、外部の金属板１６表面で発生する渦電流の分布境界線ＥＣ０を示している。アンテナコイル１４から発生した磁界が外部の金属板１６にまでわずかに到達することにより、境界線ＥＣ０の内側で渦電流が発生している。本実施形態では、アンテナコイル１４のループ形状に沿い、ある程度の範囲内で渦電流が発生しているものの、その範囲は全体として狭く抑えられている。

図４中（Ｆ）：これに対して比較例１では、金属板１６表面で発生する渦電流の分布範囲（境界線ＥＣ１）が本実施形態よりも広くなっている。特に比較例１の場合、アンテナコイル１４の略直下の位置（ハッチングを付した範囲）でより強い渦電流が発生していることが分かる。

（３）垂直磁界強度分布
次に図５は、上記ポイント（３）の垂直磁界強度分布の解析結果について、本実施形態と比較例１とを対比して示した図である。

図５中（Ａ）：本実施形態では、垂直断面Ｖでみた磁界強度の分布（境界線ＭＦ０）は全体として良好なドーム形状を示している。なお、図中に示される２つの境界線ＭＦ０１は、アンテナコイル１４の周囲近傍で発生する強い局部磁界の境界を模式的に示したものである。

本実施形態の場合、絶縁基板１２の上側と両側ではアンテナコイル１４の周囲近傍で強い局部磁界が発生しているが、このような局部磁界は絶縁基板１２の下側まで大きく回り込んでおらず、特にフェライトコア１８が配置されている範囲内（図１，２参照）で局部磁界はほとんど消失している。さらに、絶縁基板１２の下側で局部磁界の範囲（境界線ＭＦ０１）は金属板１６にまで及んでおらず、その境界線ＭＦ０１は金属板１６の上面で小さく収束していることが分かる。

また本実施形態について、絶縁基板１２の下側で発生する磁界の境界線ＭＦ０に着目すると、フェライトコア１８が配置されている範囲内では通信用として有効な強度の磁界さえも発生していないことが分かる。これは、先の図４中（Ｃ）で示したように、金属板１６の表面で発生する渦電流の範囲（境界線ＥＣ０）が狭く抑えられていることの裏付けとなっている。

図５中（Ｂ）：これに対し比較例１では、垂直断面Ｖでみた磁界強度の分布範囲（境界線ＭＦ１）が本実施形態に比較して全体的に小さく、本実施形態ほどの良好なドーム形状が得られていない。また比較例１では、絶縁基板１２の上側及び両側だけでなく、その下側においてもアンテナコイル１４の周囲近傍で強い局部磁界が発生している。

特に、局部磁界は絶縁基板１２の下面にまで大きく回り込むようにしてアンテナコイル１４を全体的に取り巻いており、絶縁基板１２の下側で局部磁界の範囲（境界線ＭＦ１１）は金属板１６にまで大きく及んでいることが分かる。これは、比較例１にはフェライトコア１８やリカロイシート２０が設けられていないため、外部の金属板１６にまで磁界が大きく漏れ出たためであると考えられる。またこれは、先の図４中（Ｆ）で示したように、特にアンテナコイル１４の略直下の位置でより強い渦電流が発生していることの裏付けにもなっている。

また比較例１について、絶縁基板１２の下面で発生する磁界の境界線ＭＦ１に着目すると、絶縁基板１２の中央付近にまで磁界の分布範囲が大きく入り込んでいることが分かる。これは、先の図４中（Ｆ）で示したように、金属板１６表面で発生する渦電流の分布範囲（境界線ＥＣ１）が本実施形態よりも広いことの裏付けとなっている。

〔シミュレーション結果の検証〕
以上より、比較例１ではアンテナコイル１４によって発生する磁界が外部の金属板１６にまで大きく漏れており、そこで強い渦電流を発生させていることが明らかである。その結果、金属板１６から逆方向の磁界が発生して本来の正磁界を打ち消し、水平面Ｈに流入する磁界の分布範囲（境界線ＭＦ１）を狭めるとともに、その磁界強度を全体的に低くしていると考えられる。

これに対し、本実施形態ではフェライトコア１８及びリカロイシート２０が磁界の漏れを抑えているため、外部の金属板１６にまでほとんど磁界が到達しておらず、そこでは狭い範囲（境界線ＥＣ０）内で弱い渦電流しか発生していないことが分かる。その結果、金属板１６で発生する反磁界が低く抑えられ、水平面Ｈに流入する磁界の分布範囲（境界線ＭＦ０）をより広く確保できている。また、垂直断面Ｖでみた磁界強度を全体的に高くし、良好な通信性能を確保できていることが分かる。

〔比較例２，３の解析結果〕
図６は、比較例２，３について行った（１）水平磁界強度分布及び（２）外部渦電流分布の解析結果を模式的に示す図である。以下同様に、比較例２，３について解析結果を挙げて説明する。

〔比較例２について〕
図６中（Ａ）：比較例２の場合、水平面Ｈに流入する磁界の分布範囲（境界線ＭＦ２）が本実施形態より僅かに狭くなっている。
図６中（Ｂ）：また、水平面Ｈに流入する磁界の強度は、そのピークも含めて全体的に本実施形態よりも低いことが分かる。
図６中（Ｃ）：金属板１６の表面では、比較例１のような強い渦電流は発生していないが、渦電流の分布範囲（境界線ＥＣ２）は本実施形態よりも広くなっている。

〔比較例３について〕
図６中（Ｄ）：比較例３の場合、水平面Ｈに流入する磁界の分布範囲（境界線ＭＦ３）は本実施形態とほぼ同等である。
図６中（Ｅ）：また水平面Ｈに流入する磁界の強度についても、そのピークも含めて本実施形態とほぼ同等である。
図６中（Ｆ）：ただし、金属板１６の表面で発生する渦電流の分布範囲（境界線ＥＣ３）は、比較例２と同じく本実施形態よりも広くなっている。

（３）垂直磁界強度分布
図７は、比較例２，３について行った（３）の垂直磁界強度分布の解析結果を模式的に示した図である。

〔比較例２について〕
図７中（Ａ）：比較例２では、垂直断面Ｖでみた磁界強度の分布（境界線ＭＦ２）が全体として良好なドーム形状を示しているものの、ドーム中央の高さは本実施形態に比較すると僅かに低くなっている。

なお比較例２では、本実施形態と同様に絶縁基板１２の上側と両側だけに強い局部磁界（境界線ＭＦ０２）が発生しており、絶縁基板１２の下側まで局部磁界が大きく回り込んでいない。ただし比較例２では、絶縁基板１２の下面で発生する磁界（境界線ＭＦ２）が絶縁基板１２の中央付近にまで大きく入り込んでいることが分かる。これは、先の図６中（Ｃ）で示したように、金属板１６表面で発生する渦電流の分布範囲（境界線ＥＣ２）が本実施形態よりも広いことの裏付けとなっている。

〔比較例３について〕
図７中（Ｂ）：比較例３もまた、垂直断面Ｖでみた磁界強度の分布（境界線ＭＦ３）が全体として良好なドーム形状を示しているものの、ドーム中央の高さは本実施形態に比較すると僅かに低くなっている。

また比較例３についても、本実施形態と同様に絶縁基板１２の上側と両側だけに強い局部磁界（境界線ＭＦ０３）が発生しており、絶縁基板１２の下側まで局部磁界が大きく回り込んでいない点は比較例２と共通する。しかし比較例３もまた、絶縁基板１２の下面で発生する磁界（境界線ＭＦ３）が絶縁基板１２の中央付近にまで大きく入り込んでいる。これは、先の図６中（Ｆ）で示したように、金属板１６表面で発生する渦電流の分布範囲（境界線ＥＣ３）が本実施形態よりも広いことの裏付けとなっている。

〔シミュレーション結果の検証〕
以上より、比較例２，３ではアンテナコイル１４によって発生する局部磁界は外部の金属板１６に対してあまり影響していないものの、絶縁基板１２の下側で広い範囲に通信用の磁界（境界線ＭＦ２，ＭＦ３）が漏れているため、金属板１６の表面の広い範囲で渦電流を発生させていることが分かる。その結果、極端に強いものではないが、やはり金属板１６から発生する反磁界が本来の正磁界を打ち消し、全体的な磁界強度を僅かに低くしていると考えられる。

〔解析結果のまとめ〕
シミュレーションの解析結果から明らかなように、本実施形態は比較例１〜３のいずれに対しても通信性能において優位性を持つ。すなわち、本実施形態のアンテナモジュール１０を用いれば、例えば水平面Ｈの位置で相対させた通信対象（無線ＩＣカード等）に対し、より大きい範囲内で一定強度の磁界を及ぼすことで、良好な通信性能を得ることができる。これに対し比較例１〜３では、同じ位置でも小さい範囲内でしか磁界を及ぼすことができないか、もしくは強度の低い磁界を及ぼすことしかできないことから、通信性能の面で本実施形態には劣る。

〔機能メカニズム〕
本発明の発明者は、シミュレーションの解析結果から本実施形態の優位性を客観的に確認する一方で、本実施形態のアンテナモジュール１０が良好な通信性能を発揮する仕組みに関して独自の知見を見出した。以下、発明者による独自の知見について説明し、本実施形態による優位性の論理づけとする。

図８は、アンテナモジュール１０の機能メカニズムを模式的に示した図である。なお図面の判読を容易にするため、図８では絶縁基板１２について一部のハッチングを省略している。

アンテナモジュール１０の通信時にアンテナコイル１４に通電されると、例えば通信用の正磁界（図中Ｍ１〜Ｍ３）が発生する。正磁界（図中Ｍ１，Ｍ２）は、絶縁基板１２の内層でフェライトコア１８に取り込まれると、その内部の磁路を通じて誘導され、そして絶縁基板１２の外周端（エッジ）から放出される。また、一部にはフェライトコア１８を透過する正磁界（図中Ｍ４，Ｍ５）もあるが、これらは下層のリカロイシート２０に取り込まれ、同様に絶縁基板１２の外周端から放出される。

このようにして、アンテナコイル１４の周囲には、絶縁基板１２の上側からその内層（フェライトコア１８及びリカロイシート２０）部分、そして外周端の側方を取り巻く磁路が形成されることになる。このとき、ほとんどの正磁界はフェライトコア１８とリカロイシート２０との間に閉じ込められるので、下方の金属板１６に対してほとんど磁界が影響することはない。

ただし、中にはフェライトコア１８やリカロイシート２０を透過する正磁界（図中Ｍ３）もある。このような磁界は、金属板１６に到達してその表面に渦電流ＡＥを発生させる。これにより、金属板１６から反磁界（図中ＭＡ）が発生し、正磁界を打ち消そうとする。

しかしながら、反磁界ＭＡは下層のリカロイシート２０に取り込まれ、そこに取り込まれた正磁界に合流して絶縁基板１２の外周端から放出される。もちろん中には、リカロイシート２０を透過したり、リカロイシート２０から上層側へ漏れ出たりする反磁界（図中ＭＡ１）も存在するが、このような反磁界ＭＡ１は上層のフェライトコア１８に取り込まれ、そこに取り込まれた正磁界に合流して絶縁基板１２の外周端から放出されることになる。いずれの場合も、放出された磁界はアンテナコイル１４を取り巻く磁路に集約されるため、今度は正磁界として作用することになる。

このように、本実施形態では通信時の正磁界をフェライトコア１８とリカロイシート２０との間に閉じ込め、正磁界が外部に漏れ出るのを抑えることで反磁界の発生を抑制している。加えて本実施形態では、外部から飛来した反磁界をリカロイシート２０（又はフェライトコア１８）で吸収することにより、反磁界によって正磁界が打ち消されるのを防止している。

さらに、軟磁性体をフェライトコア１８とリカロイシート２０の２つに分けて配置した場合、単独の軟磁性体を配置した場合に比較して磁界の漏れを抑える効果が高い。このため、フェライトコア１８やリカロイシート２０それぞれの厚みを薄くし、アンテナモジュール１０全体としての薄型化を図ることができる。

また本実施形態では、上層のフェライトコア１８をアンテナコイル１４より内側の範囲内に設置しているため、正磁界が有効に発生する範囲内だけにフェライトコア１８を使用し、材料の使用量を最小限に抑えている。一方、下層のリカロイシート２０はアンテナコイル１４の外側にまで拡げて配置しているため、反磁界がアンテナコイル１４に対して影響するのを防止し、通信性能の劣化を確実に抑えることができる。

さらに本実施形態では、フェライトコア１８やリカロイシート２０に軟磁性材料を用いているが、中でも上層のフェライトコア１８に比較すると、下層のリカロイシート２０は磁性損失（μ''）が少し高い。このため、上層のフェライトコア１８では、その本来の低磁性損失によって正磁界を良好に誘導することができる一方で、下層のリカロイシート２０では、金属板１６からの反磁界を磁性損失によって弱化させることができる。

〔好適な実施の条件〕
また本発明の発明者は、アンテナモジュール１０を好適に実施する上で、以下の条件を提供している。

（１）絶縁基板１２の内層では、フェライトコア１８とリカロイシート２０との間のギャップ（図中Ｃ）をなるべく大きく確保することが好ましい。ギャップをある程度まで大きくすることで、フェライトコア１８とリカロイシート２０との間に磁界（磁束）を良好に閉じ込めることができる。

（２）絶縁基板１２のアンテナ面に沿う方向（平面視）でみて、フェライトコア１８の外周端とアンテナコイル１４との間隔（図中Ｌ）をなるべく小さくすることが好ましい。間隔をより小さくすることで、正磁界の誘導性を向上することができる。

なお、本実施形態では絶縁基板１２に対してフェライトコア１８及びリカロイシート２０を内層化した形態で製造するため、フェライトコア１８やリカロイシート２０の厚み管理を正確に行うことができる。これにより、フェライトコア１８やリカロイシート２０の追加作業時の変形や位置ずれを防止し、製品ごとの通信性能の不均一を解消することができる。

本発明は一実施形態に制約されることなく、各種の変形を伴って実施することができる。例えば、一実施形態では絶縁基板の表面に形成されたアンテナコイルを例に挙げているが、アンテナコイルは基板の内層に形成されていてもよい。また、一実施形態としてフェライトコア１８やリカロイシート２０を絶縁基板の内層に配置する例を挙げたが、これらは絶縁基板の表面又は裏面に配置されていてもよい。

アンテナモジュールの一実施形態を概略的に示した平面図である。 図１中、II−II線に沿うアンテナモジュール１０の縦断面図である。 性能評価のシミュレーションで用いる評価・解析面のモデル図である。 水平磁界強度分布及びの外部渦電流分布の解析結果について、一実施形態と比較例１とを対比して示した図である。 垂直磁界強度分布の解析結果について、一実施形態と比較例１とを対比して示した図である。 比較例２，３について行った水平磁界強度分布及び外部渦電流分布の解析結果を示す図である。 比較例２，３について行った垂直磁界強度分布の解析結果を示した図である。 アンテナモジュールの機能メカニズムを模式的に示した図である。

符号の説明

１０ アンテナモジュール
１２ 絶縁基板
１４ アンテナコイル
１６ 金属板
１８ フェライトコア
２０ リカロイシート

Claims (5)

1. 所定の絶縁基板に形成された状態で、その一方の面を通信時のアンテナ面として使用するループ状のアンテナ導体と、
   前記絶縁基板に対し、その厚み方向でみて前記アンテナ面側に設けられた第１の軟磁性体と、
   前記絶縁基板に対し、その厚み方向でみて前記アンテナ面と反対側に前記第１の軟磁性体から間隔を置いて設けられた第２の軟磁性体とを備え、
   前記第１及び第２の軟磁性体は、前記絶縁基板の厚み方向でみて前記アンテナ導体よりも前記アンテナ面の反対側に位置しており、
   前記第１の軟磁性体は、前記アンテナ面に沿う方向でみて前記アンテナ導体のループよりも内側の範囲内に配置されており、
   前記第２の軟磁性体は、前記アンテナ導体のループより外側に拡がって前記アンテナ面に沿う方向に延びており、
   前記第２の軟磁性体の磁性損失は、前記第１の軟磁性体の磁性損失よりも高いことを特徴とする平面アンテナ。
2. 請求項１に記載の平面アンテナにおいて、
   前記第１の軟磁性体は、前記絶縁基板の内層に設けられていることを特徴とする平面アンテナ。
3. 請求項１又は２に記載の平面アンテナにおいて、
   前記第２の軟磁性体は、前記絶縁基板の内層に設けられていることを特徴とする平面アンテナ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
   前記第１の軟磁性体がソフトフェライトからなり、
   前記第２の軟磁性体が金属ガラスからなることを特徴とする平面アンテナ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の平面アンテナにおいて、
   前記アンテナ導体から発生する磁界を用いて、電磁誘導方式による通信が可能であることを特徴とする平面アンテナ。
   

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