JP4957683B2

JP4957683B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP4957683B2
Application number: JP2008220739A
Authority: JP
Inventors: 邦明用水; 浩行久保; 宏充伊藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: US8294629B2; JP2010056982A; US20100053014A1; DE102009038824A1

Description

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磁性体アンテナおよびアンテナ装置に関するものである。

近年、利用が拡大しているＲＦＩＤシステムにおいては、携帯電話等の携帯電子機器とリーダ・ライタの各々に情報通信用のアンテナを搭載し、互いにデータを交信している。このうち携帯電子機器に搭載されるアンテナには特に、高性能、低価格、小型化の要請が強く、これらを実現しようとするものとして、磁性体コアを備えた磁性体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に示されている磁性体アンテナの斜視図である。このアンテナ１０は、磁芯部材（磁性体コア）１２と、一連の第１導体（コイル導体）１３により渦巻き部１３ａが一方の主面に形成された単一の電気絶縁フィルム（フレキシブル基板）１４とを備える。電気絶縁フィルム１４の他方の主面には第２導体１５が形成されていて、この第２導体１５の端部と第１導体１３の端部とがＩＣチップ１６に接続されている。
特許第３７７２７７８号公報

ところが、特許文献１の構成では、フレキシブル基板を中央で折り曲げて磁性体を挟み込む構造であるので、基本的に、磁性体コアの面に対して平行な方向からの磁束に対して結合させるものである。そのため、磁性体コアの面に垂直な方向からの磁束はコイル導体のループ面を一方から他方へ貫通することにならず、非常に弱い結合しか得られない。

また、コイル導体の一部が磁性体コアの磁束透過面の一部を塞いでアンテナの開口が小さくなるため、やはり結合が弱くなる、という問題があった。

そこで、この発明の目的は、磁性体コアの面に垂直な向きの磁束に対して強く結合でき、アンテナ開口を広くとれるようにし、磁束の放射効率を高めた、高感度なアンテナ装置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次のように構成する。
（１）磁性体コア、前記磁性体コアの表面に沿って巻き付けられたコイル導体を含む磁性体アンテナと、
前記磁性体アンテナに近接配置された金属板と、
を有するアンテナ装置であって、
前記磁性体コアは、第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を備えた板状を成し、
前記コイル導体は、巻回中心部を導体開口部とする、平行な少なくとも２辺を備える渦巻き状を成し、
前記コイル導体は、前記コイル導体の前記巻回中心部が前記磁性体コアの前記第１主面側に位置し、かつ、前記コイル導体の前記２辺が前記磁性体コアの前記第２主面側に位置するように、前記磁性体コアに沿って巻回されており、
前記磁性体アンテナは、前記磁性体コアの前記第２主面が前記金属板に対面するように、前記金属板に近接配置されている、ことを特徴とする。

この構成により、磁性体コアの主面に対して垂直に透過する磁束が渦巻き状を成すコイル導体のループ内を過ぎることになり、強く結合する。また、コイル導体の２辺が磁性体コアの２辺の近傍に位置することになるので、コイル導体が磁性体コアの磁束透過面の一部を大きく塞ぐことがなく、アンテナの開口が広く確保できる。
そのため、磁束の放射効率が高まり、アンテナの感度が高まって、通信可能な距離が延びる。

（２）前記コイル導体は、接続された２つの矩形渦巻き状のコイル導体とする。
これにより、２つのコイル導体の接続方法（直列／並列）を適宜選ぶことにより、アンテナのインピータンスを広範囲に亘って設計できるようになる。

（３）前記２つの矩形渦巻き状のコイル導体は互いに巻回方向が逆であり、直列に接続されたものとする。
これにより、２つのコイル導体の接続パターンが簡素なものとなり、配線同士の絶縁が不要となり、実装先の回路基板上で直列接続する必要もなくなる。

この発明によれば、磁性体コアの面に対して垂直な磁束に対して強く結合でき、またアンテナの開口が実質的に大きくなり、磁束の放射効率が高まって、ＲＦＩＤシステムに適用した際に通信可能な距離が延びる。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係る磁性体アンテナ１０１の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０１で用いられるフレキシブル基板の展開状態の斜視図、（Ｂ）は磁性体アンテナ１０１で用いられる磁性体コア及びフレキシブル基板の折り曲げた状態での斜視図、（Ｃ）は磁性体アンテナ１０１の斜視図である。

図２に示すように、磁性体アンテナ１０１は、コイル導体２４を形成したフレキシブル基板２３と磁性体コア２２とを備えている。フレキシブル基板２３には矩形渦巻状のコイル導体２４が形成されていて、コイル導体２４の巻回中心部を導体開口部ＣＷとして形成されている。すなわち、この導体開口部ＣＷを取り囲むように渦巻状のコイル導体２４が形成されている。

図２（Ａ）中の４本の二点鎖線は、このフレキシブル基板２３の折り曲げ箇所を示している。図２に示すように、磁性体コア２２に対して、フレキシブル基板２３を二点鎖線に沿って折り曲げるとともに、このフレキシブル基板２３で磁性体コア２２の上面、左右の側面、及び下面の一部を包むように、フレキシブル基板２３が配置される。

磁性体コア２２は矩形板状を成している。すなわち、磁性体コア２２は平行な少なくとも２辺を備えた板状を成している。そして、フレキシブル基板２３は、導体開口部ＣＷの中心から離れたコイル導体２４の２辺に沿って且つ磁性体コア２２の２辺に沿って折り曲げられる。

このような構成により、磁性体コア２２の主面に対して垂直に透過する磁束がコイル導体２４のループ内を過ぎることになり、磁束の放射効率が高まる。また、コイル導体２４の２辺が磁性体コア２２の２辺の近傍に位置することになるので、コイル導体２４が磁性体コア２２の磁束透過面の一部を大きく塞ぐことがなく、アンテナの開口が広く確保できる。そのため、磁束の放射効率が高まり、アンテナの感度が高まって、通信可能な距離が延びる。

図２（Ａ）に示したコイル導体２４の両端部はコイル導体接続部であり、このコイル導体接続部が実装先の回路基板上の電極に導通するように磁性体アンテナ１０１が実装される。このようにして磁性体アンテナ１０１が回路基板に実装された状態で、上記回路基板に形成された導体（グランドパターン）と磁性体アンテナ１０１とによってアンテナ装置が構成されることになる。

《第２の実施形態》
図３は第２の実施形態に係る磁性体アンテナ及びアンテナ装置の構成を示す図であり（Ａ）はアンテナ装置の斜視図、（Ｂ）はその磁性体アンテナのコイル導体に流れる電流及び磁性体コアを透過する磁束について示している。

図３（Ａ）に示すように、金属板３１に磁性体アンテナ１０１を実装することによってアンテナ装置２０１が構成される。金属板３１は、例えば回路基板に形成された導体（グランドパターン）である。この金属板３１が、本発明に係る「面状に広がる導体を有する板材」に相当する。

図３（Ａ）において破線は主な磁束を表している。磁束を通さない金属板３１の上に、磁性体アンテナ１０１が配置されることにより、金属板３１に対して垂直方向からの磁束ＭＦａがコイル導体の開口部ＣＷａより入射して磁性体コア２２の左右の端部から抜ける磁路が形成される。また、金属板３１に対して垂直方向からの磁束ＭＦｂがコイル導体の開口部ＣＷｂより入射して磁性体コア２２の左右の端部から抜ける磁路が形成される。同様に、金属板３１に対して垂直方向からの磁束ＭＦｃがコイル導体の開口部ＣＷｃより入射して磁性体コア２２の左右の端部から抜ける磁路が形成される。

図３（Ｂ）は、磁性体コア２２を透過する磁束とコイル導体２４に流れる電流との関係を表している。但し、図の煩雑化を避けるためにコイル導体２４はワンターンとして表している。この図に示すように、磁性体コア２２を中央から両端面方向に磁束が透過すると、この磁束がコイル導体２４のループ内を過ぎるため、起電力が発生する。したがって、図３（Ａ）に示したように、磁束ＭＦａ，ＭＦｂ，ＭＦｃが磁性体コア２２を透過する際に、コイル導体２４に起電力が発生する。

図４は、アンテナ装置２０１に対して、金属板の面に平行な向きに磁束が向く場合について、形成される磁路の様子を示している。金属板３１の面に対して平行な＋ｙ方向に磁束ＭＦ(+y)が向く場合、図４中に破線で示すように、コイル導体２４の開口部ＣＷｂより入射して磁性体コア２２の左右の端部から抜ける磁路が形成される。同様に、−ｙ方向に磁束ＭＦ(-y)が向く場合、図４中に破線で示すように、コイル導体２４の開口部ＣＷｃより入射して磁性体コア２２の左右の端部から抜ける磁路が形成される。

この磁路には方向性がないので、磁束がｘ方向に向く場合には、磁束は磁性体コア２２の右又は左の端部から入射し、コイル導体２４の開口部ＣＷｂ，ＣＷｃより抜ける。

なお、磁性体アンテナ１０１をｙ方向に直進する磁束やｘ方向に直進する磁束もあるが、コイル導体への起電力の誘起には寄与しない。

このようにして、磁束の向きは図３（Ａ）に示したｚ方向だけでなく、ｘ方向、ｙ方向についても高い感度を有するアンテナ装置が得られる。

なお、上記回路基板以外にも、例えば液晶表示パネルの裏面に配置されるシールド板に磁性体アンテナを配置して、このシール板と磁性体アンテナとによってアンテナ装置を構成してもよい。

《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係る磁性体アンテナ１０２の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０２で用いるフレキシブル基板の展開図、（Ｂ）は磁性体アンテナ１０２で用いる磁性体コア２２の斜視図、（Ｃ）は磁性体アンテナ１０２の斜視図である。

この第３の実施形態に係る磁性体アンテナ１０２では、フレキシブル基板２３に２つの矩形渦巻き状のコイル導体２４ａ，２４ｂが形成されている。両者の巻回方向は互いに逆であり、フレキシブル基板２３上で直列接続されている。矩形渦巻き状を成すコイル導体２４ａ，２４ｂのそれぞれの内終端にはコイル導体の接続部２５ａ，２５ｂが形成されている。

図５（Ａ）中の４本の二点鎖線は、このフレキシブル基板２３の折り曲げ箇所を示している。フレキシブル基板２３は、導体開口部ＣＷａ，ＣＷｂの中心から離れたコイル導体２４ａ，２４ｂの２辺に沿って、且つ磁性体コア２２の２辺に沿って折り曲げられる。

また、この磁性体アンテナ１０２を第２の実施形態で図３に示したように金属板に近接させた場合にも、図３（Ａ）や図４に示した磁路が形成され、第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。

図５に示した例では、２つのコイル導体２４ａ，２４ｂの接続パターンが簡素なものとなり、配線同士の絶縁が不要であるので、実装先の回路基板上で直列接続する必要もなくなる。２つのコイル導体を並列接続する場合や実装先の回路基板上で直列接続または並列接続する場合には、２つのコイル導体のループを過ぎる磁束によってそれぞれ生じる起電力の向きが加算される方向に接続すればよいので、２つのコイル導体の巻回方向は同方向・逆方向のいずれでも構成できる。

このように２つのコイル導体を用いれば、２つのコイル導体の接続方法（直列／並列）を適宜選ぶことにより、アンテナのインピータンスを広範囲に亘って設計できるようになる。

なお、各実施形態では、フレキシブル基板を４本のラインで９０度に折り曲げて磁性体コアの三面を包むように配置したが、フレキシブル基板は９０度に折り曲げる必要はなく、湾曲させて磁性体コアに巻き付けるように配置してもよい。

《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態に係る磁性体アンテナ１０３，１０４の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０３の斜視図及びその分解斜視図である。また、（Ａ）は磁性体アンテナ１０３の斜視図及びその分解斜視図である。

図６（Ａ）に示すように、磁性体アンテナ１０３は、コイル導体２４が形成されたフレキシブル基板２３と２つの磁性体コア２２Ａ，２２Ｂとを備えている。この２つのコア２２Ａ，２２Ｂはフレキシブル基板２３のコイル導体２４の巻回位置に配置される。フレキシブル基板２３及びそれに対するコイル導体２４の形成パターンは図２に示したものと同様である。

このように磁性体コアを２つに分割するとともに、それぞれを必要な位置にのみ配置することにより、磁性体コア２２Ａ，２２Ｂは、磁路としての作用を保ったまま、その耐衝撃性が高まる。また、磁性体コアの占有体積が削減され軽量化が図れる。

図６（Ｂ）に示す例は、フレキシブル基板２３の両端部に配置する磁性体コアが更に２分割されたものである。ここで、一方端の磁性体コア２２Ａａ，２２Ａｂは一定の微小間隙を設けて並設される。他方端の磁性体コア２２Ｂａ，２２Ｂｂも一定の微小間隙を設けて並設される。

このように磁性体コアを全体で４つに分割することにより、各磁性体コア２２Ａａ，２２Ａｂ，２２Ｂａ，２２Ｂｂの耐衝撃性がさらに高まる。
なお、機器の落下等に起因する衝撃によって、並設されている磁性体コア２２Ａａ，２２Ａｂ同士、及び磁性体コア２２Ｂａ，２２Ｂｂ同士が当接しないように、磁性体コア２２Ａａ−２２Ａｂ間、及び２２Ｂａ−２２Ｂｂ間にそれぞれ軟質のスペーサを介在させてもよい。また、各磁性体コア２２Ａａ，２２Ａｂ，２２Ｂａ，２２Ｂｂをフレキシブル基板２３または実装先の回路基板に接着してもよい。

《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態に係る磁性体アンテナ１０５の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０５で用いるフレキシブル基板の展開状態の斜視図、（Ｂ）は磁性体アンテナ１０５の斜視図である。

図７に示すように、磁性体アンテナ１０５は、コイル導体２４を形成したフレキシブル基板２３と磁性体コア２２とを備えている。フレキシブル基板２３には全体的には矩形渦巻状のコイル導体２４が形成されていて、その一部にインダクタンス調整用のコイル導体パターン２４Ａａ，２４Ａｂ，２４Ａｃ，２４Ｂａ，２４Ｂｂ，２４Ｂｃが形成されている。

図７（Ａ）中の４本の二点鎖線は、このフレキシブル基板２３の折り曲げ箇所を示している。図７に示すように、磁性体コア２２に対して、フレキシブル基板２３を二点鎖線に沿って折り曲げるとともに、このフレキシブル基板２３で磁性体コア２２の上面、左右の側面、及び下面の一部を包むように、フレキシブル基板２３が配置される。

このような構成により、インダクタンス調整用のコイル導体パターン２４Ａａ，２４Ａｂ，２４Ａｃ，２４Ｂａ，２４Ｂｂ，２４Ｂｃのうち所定の一つまたは複数のコイル導体パターンをレーザトリミングすることにより、磁性体アンテナ１０５のインダクタンスを所定値に定めることが可能となる。

特許文献１に示されている磁性体アンテナの斜視図である。第１の実施形態に係る磁性体アンテナ１０１の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０１で用いるフレキシブル基板の展開状態の斜視図、（Ｂ）は磁性体アンテナ１０１で用いる磁性体コア及びフレキシブル基板の折り曲げた状態での斜視図、（Ｃ）は磁性体アンテナ１０１の斜視図である。第２の実施形態に係る磁性体アンテナ及びアンテナ装置の構成を示す図であり（Ａ）はアンテナ装置の斜視図、（Ｂ）はその磁性体アンテナのコイル導体に流れる電流及び磁性体コアを透過する磁束について示す図である。アンテナ装置２０１に対して、金属板の面に平行な向きに磁束が向く場合について、形成される磁路の様子を示す図である。第３の実施形態に係る磁性体アンテナ１０２の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０２で用いるフレキシブル基板の展開図、（Ｂ）は磁性体アンテナ１０２で用いる磁性体コア２２の斜視図、（Ｃ）は磁性体アンテナで１０２の斜視図である。第４の実施形態に係る２つの磁性体アンテナの構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０３の斜視図及びその分解斜視図である。また、（Ａ）は磁性体アンテナ１０３の斜視図及びその分解斜視図である。第５の実施形態に係る磁性体アンテナ１０５の構成を示す図であり、（Ａ）は磁性体アンテナ１０５で用いるフレキシブル基板の展開状態の斜視図、（Ｂ）は磁性体アンテナ１０５の斜視図である。

符号の説明

２２…磁性体コア
２３…フレキシブル基板
２４…コイル導体
２４ａ，２４ｂ…コイル導体
２５ａ，２５ｂ…接続部
３１…金属板
１０１〜１０５…磁性体アンテナ
２０１…アンテナ装置
ＣＷ…導体開口部
ＭＦａ…磁束
ＭＦ(+y)，ＭＦ(-y)…磁束

Claims

磁性体コア、前記磁性体コアの表面に沿って巻き付けられたコイル導体を含む磁性体アンテナと、
前記磁性体アンテナに近接配置された金属板と、
を有するアンテナ装置であって、
前記磁性体コアは、第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を備えた板状を成し、
前記コイル導体は、巻回中心部を導体開口部とする、平行な少なくとも２辺を備える渦巻き状を成し、
前記コイル導体は、前記コイル導体の前記巻回中心部が前記磁性体コアの前記第１主面側に位置し、かつ、前記コイル導体の前記２辺が前記磁性体コアの前記第２主面側に位置するように、前記磁性体コアに沿って巻回されており、
前記磁性体アンテナは、前記磁性体コアの前記第２主面が前記金属板に対面するように、前記金属板に近接配置されている、
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記コイル導体は、接続された２つの矩形渦巻き状のコイル導体である、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記２つの渦巻き状のコイル導体は互いに巻回方向が逆であり、直列に接続された、請求項２に記載のアンテナ装置。