JP5018918B2 - アンテナ装置およびそれを用いた携帯端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）やＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）におけるアンテナ装置およびそれを用いた携帯端末装置に関するものである。

近年、携帯電話やスマートフォン等の携帯端末に、非接触型ＩＣカードやＩＣタグの情報を読み取ったり、Ｒ／Ｗとの情報を行うために、ループ状のアンテナが多く用いられている。

これらのループ状のアンテナにおいて、例えば非接触ＩＣカードから情報を読み取る場合、一般的にループ状のアンテナは非接触ＩＣカードより小さく、磁界取り込み領域（通信可能領域）が狭いため、読み取りにくい場合があった。

そこで、上記通信可能領域を拡張するものとして、ループ状のアンテナと金属線を組み合わせたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２８５０６号公報

しかしながら、上記従来の構造では金属線を用いて通信可能領域の拡張を行っているため拡張した領域内に近傍に金属線が存在しない空気領域が存在する。

そのため、空気領域に非接触ＩＣカードからの送信磁界が入るとループ状のアンテナにはほとんどＩＣカードからの磁束による誘電起電力が発生せず、その結果通信領域を拡張したとしても、上記空気領域においてループ状のアンテナはＩＣカードと通信できない恐れがあった。

そこで、本発明は上記の問題に鑑み、通信可能領域を拡張しつつ、通信可能領域内で良好な通信性能を有したアンテナ装置およびそれを用いた携帯端末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、入出力端子と接続され、中央に開口部を有する略矩形のループアンテナと、前記ループアンテナと電気的に絶縁され、前記開口部の表裏に対応する一方の面に配置した金属体と、前記開口部の表裏に対応する他方の面に配置された磁性体シートと、を備え、前記ループアンテナの前記入出力端子が設けられる辺を除く３辺が前記金属体と沿うように、前記開口部と略同じ大きさのコの字形状の切り欠き部を前記金属体の外周に設けたことを特徴とするアンテナ装置である。

本発明によれば、通信可能領域を拡張しつつ、通信可能領域内の空気領域を減少させるため、通信可能領域内で良好な通信性能を有したものを提供することができる。

本発明の実施例１におけるアンテナ装置の斜視図 本発明の実施例１におけるアンテナ装置の上面図 本発明の実施例１におけるアンテナ装置の側面図 本発明の実施例１におけるアンテナ装置から磁界を放射するときの概念を説明した図 本発明の実施例１におけるアンテナ装置が磁界を受けるときの概念を説明した図 本発明の実施例１におけるアンテナ装置が放射する磁界強度を表した図 本発明の実施例１におけるアンテナ装置を用いた携帯端末の分解斜視図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置の斜視図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置の平面図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置の側面図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置が磁界を放射するときの概念を説明した図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置が磁界を受けるときの概念を説明した図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置が放射する磁界強度を表した図 本発明の実施例２におけるアンテナ装置を用いた携帯端末の分解斜視図 本発明の実施例２における別のアンテナ装置が放射する磁界強度を表した図

本発明のアンテナ装置は、入出力端子と接続され、中央に開口部を有する略矩形のループアンテナと、前記ループアンテナと電気的に絶縁され、前記開口部の表裏に対応する一方の面に配置した金属体と、前記開口部の表裏に対応する他方の面に配置された磁性体シートと、を備え、前記ループアンテナの前記入出力端子が設けられる辺を除く３辺が前記金属体と沿うように、前記開口部と略同じ大きさのコの字形状の切り欠き部を前記金属体の外周に設けたことを特徴とする。

これにより、通信可能領域を拡張しつつ、通信可能領域内の空気領域を減少させるため、通信可能領域内で良好な通信性能を有したアンテナ装置を提供することができる。

また、前記金属体は矩形状を成し、前記切り欠き部は、前記金属体の一辺の中心に設けたことにより、アンテナ装置と金属体とを効率よく結合することができ、外部磁界によって金属体に発生する誘導起電力を効率よくアンテナに伝達することができる。

また、上記アンテナ装置を、筐体内に設け、金属体を筐体の裏面に設けたことにより、筐体を利用して、通信可能領域を拡張しつつ、通信可能領域内で良好な通信性能を有した携帯端末装置を提供することができる。

また、上記アンテナ装置を、筐体内に設け、筐体内に設けられた回路基板を金属体として用いることにより、携帯端末の回路基板を利用して、通信可能領域を拡張しつつ、通信可能領域内で良好な通信性能を有した携帯端末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以下図面を用いて説明する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるアンテナ装置の斜視図であり、図２は本発明の実施例１におけるアンテナ装置の上面図であり、図３は本発明の実施例１におけるアンテナ装置の側面図である。なお、図３は図２のＡ−Ａ‘断面図である。

図１に表されたアンテナ装置１は、アンテナ基板２の上にループ状のアンテナパターン３が形成されている。図１においては、アンテナパターン３は３ターンの場合を図示しているが、３ターンに限定するものではない。

また、アンテナ上部に金属が配置されたときの影響を軽減するために、アンテナパターン３の上部に磁性体シート４を配置している。

また、アンテナパターン３は、入出力端子５、６によって、整合回路およびＩＣの入出力端子に接続される。

ここで、金属体７には、金属体７の外周と繋がるように形成され、アンテナの形状に合わせた矩形状の切り欠き部８が設けられ、金属体７は、切り欠き部８によってコの字形状となっている。

つまり、切り欠き部８は、金属体７の中に穴が設けられるように形成するのではなく、金属体７の外周から切り欠いたような形状になっている。

そして、その金属体７の切り欠き部８を覆うようにアンテナ基板２とアンテナパターン３を金属体７にほぼ接して配置し、金属体７、アンテナ基板２、アンテナパターン３、磁性体シート４の順に積層している。

以下、図２、図３を中心にアンテナパターン３と切り欠き部８の形状について詳細に説明する。

図を見れば明らかなように、切り欠き部８の大きさは、アンテナパターン３の外形（アンテナパターン３の最外周のループの大きさ）より小さく、さらにアンテナパターン３の開口部（アンテナパターン３の最内周のループの大きさ）に沿うように形成されている。

つまり、切り欠き部８は、アンテナパターン３の開口部とほぼ同じ大きさにしている。

そして、アンテナパターン３の開口部を切り欠き部８に一致するように配置し、図２に示すように、アンテナパターン３は、切り欠き部８を設けた側の金属体７の一辺と直線状となるようにしている。

また、図３に示すようにアンテナパターン３は、アンテナ基板２を介して、金属体７の上に配置されている。

上記のようにすることで、後述するが金属体７に発生する電流を効率よく利用することができる。

また、切り欠き部８の位置は、本実施例では、切り欠きを設ける部分の辺の中心となるように配置している。

以下、アンテナ装置１の構成について説明する。

まずアンテナ基板２について説明する。アンテナ基板２はアンテナパターン３、入出力端子５、６などの電子部材を搭載するベース基板であり、本実施例では絶縁性を有する基板であればよく、例えば、ポリイミド、ＰＥＴ、ガラエポ基板等で形成することが可能である。

次にアンテナパターン３について説明する。アンテナパターン３は、スパイラル状に形成される。スパイラルの構造としては、中央に開口部を備えたスパイラル形状であればよく、その形状は円形または略矩形または三角形や四角形に代表される多角形のいずれであってもよい。また、アンテナパターン３の配置は、同一平面上に配置しても積層して配置してもよい。スパイラル構造とすることで、開口部に、リーダライタから発生された磁界を鎖交させ、誘導電力を誘起させ、入出力端子５、６と接続される整合回路およびＩＣチップに電気信号を伝達させることが可能となり、リーダライタとの通信が可能となる。さらに、パターンの材質としては、導電性を有するものであればよく、金、銀、銅、アルミ、ニッケル等の導電性の金属製線材、金属製板材、金属製箔材、または金属製筒材等から適宜選択することができ、金属線、金属箔、導電性ペースト、めっき転写、スパッタ、蒸着、もしくは、スクリーン印刷により形成することができる。

次に磁性体シート４について説明する。磁性体シート４は、アンテナパターン３の上部に配置されており、形状としては円形または略矩形または三角形や四角形に代表される多角形のいずれであってもよい。磁性体シート４は、磁性体シート４の上部に金属体が配置されたときの影響を軽減するためのものであり、アンテナパターン３を完全に覆っていることが望ましく、アンテナパターン３を覆っていれば、アンテナパターン３より大きくてもよく、例えば、金属体７と同じ大きさであってもよい。

また、磁性体の材質としては、フェライトなどの絶縁性磁性体、または電磁鋼板などの導電性磁性体のいずれであってもよい。

次に入出力端子５、６について説明する。入出力端子５、６はアンテナパターン３と電気的に接続されている。材質としては導電性を有するものであればよく、金、銀、銅、アルミ、ニッケル等の導電性の金属製線材、金属製板材、金属製箔材、または金属製筒材等から適宜選択することができ、金属線、金属箔、導電性ペースト、めっき転写、スパッタ、蒸着、もしくは、スクリーン印刷により形成することができる。また、入出力端子５、６は整合回路およびＩＣチップと電気的に接続されるものであり、接続方法としてはピンやバネによる接続やはんだ付け、コネクタによる接続など、通常利用される接続方法を選択できる。

材質としては導電性を有するものであればよく、金、銀、銅、アルミ、ニッケル等の導電性の金属製箔材、金属製板材等から適宜選択することができ、金属箔、導電性ペースト、めっき転写、スパッタ、蒸着、もしくはスクリーン印刷により形成することができる。

次に図４、図５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はアンテナから送信する場合の本発明の概念図である。外部回路より、入出力端子５、６へ入った信号によりアンテナパターン３に電流９が流れ、それによって磁界１０が生じる。金属体７には磁界１０を打ち消す方向に渦電流１１が発生するが、このとき金属体７にアンテナパターン３の開口部に沿うように切り欠き部８を設けることで、切り欠き部の３辺には、アンテナパターン３に流れる電流９に対して逆方向となる渦電流１１が流れるが、金属体７の切り欠き部８以外の部分に流れる渦電流１１はアンテナパターン３に流れる電流９に対して順方向となるため、見かけ上アンテナパターンが大きくなった状態になり、通信相手となるカードとの結合度が強くなるため、結果として通信性能が向上することになる。

図５は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。外部からの磁界１２によって、金属体７の外周部に沿って渦電流１３が流れ、渦電流１３によって金属体７の外周部には磁界１４が発生する。このとき金属体７にアンテナパターン３の開口部に沿うように切り欠き部８を設けることで、切り欠き部８の３辺の外周部には図５のような磁界１４が発生するため、アンテナパターン３の内周部には図５のような、下向きの磁界１５が発生することになる。このとき磁界１５を打ち消す方向にアンテナパターン３には渦電流１６が発生するが、この渦電流１６は金属体７の外周部に流れる渦電流１３と順方向となるため、見かけ上アンテナパターンが大きくなった状態になり、通信相手となるＲＷが発する磁界をより多く受信できるようになり、結果として通信性能が向上することになる。

図６は本発明のアンテナ装置１と、金属体７を用いない場合のアンテナ装置を比較したときの実験結果である。測定条件は以下の通りである。まず、本発明のアンテナ装置１を上下反対にして配置し、入出力端子５、６から整合回路を介して入力インピーダンスを５０Ωに整合させた後、シグナルジェネレータから２０ｄＢｍを入力する。金属板７のサイズは６２ｍｍ×３８ｍｍ、アンテナパターン３の外形サイズは２０ｍｍ×２０ｍｍである。

次に、上記アンテナ装置１の上空に７２ｍｍ×４２ｍｍサイズで１ターンの探りコイルを配置し、上記探りコイルの両端をオシロスコープの観測端子に接続し、１ＭΩのポートインピーダンスで観測する。上記アンテナ装置１から発生した磁界が、上記探りコイルを鎖交することにより探りコイルの両端に誘導起電圧が発生し、上記オシロスコープによって観測されることになる。上記探りコイルは、上記アンテナ装置１の金属体７の中心と上記探りコイルの中心を正対させるように配置している。

また、金属体７を用いない場合は、アンテナパターン３の中心と上記探りコイルの中心を正対させるように配置している。図６のグラフの横軸はアンテナ装置１と探りコイルの距離であり、縦軸は上記オシロスコープで観測した電圧波形のピーク間電圧の値である。図６のグラフによれば、金属体７を用いない場合のアンテナ装置と比較して、本発明のアンテナ装置１の方がより大きな誘導起電圧を発生させることができ、特に２０ｍｍ以内の近傍においてはより大きな効果が確認できる。

図７は本発明の実施例１のアンテナ装置を用いた携帯端末（本実施例では携帯電話）の分解斜視図である。携帯端末１８は液晶パネル１９とボタン２０と筐体２３と筐体２４とそれに内包される基板２１とバッテリー２２などから構成されており、アンテナ１が筐体２４に取り付けられている。アンテナ装置１は、基板２１の、液晶パネル１９が配置されている方向とは反対側の面に取り付けられている。また金属体７は、筐体２４に貼り付けられており、その上にアンテナパターン３、磁性シート４が重ねられた構造になっている。

金属体７は筐体２４に貼り付けなくてもよいが、金属体７と基板２１およびそれに実装される金属部品が接近すると特性が劣化するため、金属体７と基板２１およびそれに実装される金属部品の距離をできる限り離すことが望ましい。

また、筐体２４と金属体７を一体化してもよく、その場合の筐体２４の材質としては、金属体７と同様、導電性を有するものであればよく、金、銀、銅、アルミ、ニッケル等の導電性の金属製箔材、金属製板材等から適宜選択することができ、金属箔、導電性ペースト、めっき転写、スパッタ、蒸着、もしくはスクリーン印刷により形成することができる。

また、基板２１を金属体７の代わりにしてもよく、その場合、基板２１の、液晶パネルが配置されている方向とは反対側の面に取り付けられ、構造としては、基板２１の下に磁性体シート４、アンテナパターン３の順番で配置される。

さらに、本実施例では、金属体７を金属製箔材等の形成しているため、例えば、カメラ等の搭載する携帯端末の部品の配置に応じて金属体７に切り欠きを設けて、部品の配置を避けて配置することができる。

また、上記のように金属体７を金属製箔材等の折り曲げることができる材料を利用する、または、スパッタ等で筐体の曲面に直接形成することで、金属体７を筐体の曲面に沿って配置することができ、曲面に配置できない従来のアンテナ装置と比較して、アンテナ装置として自由に設計を行うことができる。

（実施例２）
図８は本発明の実施例２におけるアンテナ装置１の斜視図であり、図９は本発明の実施例２におけるアンテナ装置の平面図であり、図１０は本発明の実施例２におけるアンテナ装置の側面図である。

図８に表されたアンテナ装置１は、アンテナ基板２の上にループ状のアンテナパターン３が形成されている。図８においては、アンテナパターン３は３ターンの場合を図示しているが、３ターンに限定するものではない。また、アンテナ上部に金属が配置されたときの影響を軽減するために、アンテナパターン３の上部に磁性体シート４を配置している。また、アンテナパターン３は入出力端子５、６によって、整合回路およびＩＣの入出力端子に接続される。金属体７はアンテナ基板にほぼ接して配置されている。金属体７の切り欠き部８は、まずアンテナパターン３を金属体７の中心部に配置したときのアンテナパターン３の開口部に沿って切り抜き、そのうちの１辺から金属体７の向かい合う辺にスリット１７を入れた形状に配置されている。アンテナ装置１の構成については、本発明の実施例１と同様である。

次に図１１、図１２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１１はアンテナから送信する場合の本発明の概念図である。外部回路より、入出力端子５、６へ入った信号によりアンテナパターン３に電流９が流れ、それによって磁界１０が生じる。金属体７には磁界１０を打ち消す方向に渦電流１１が発生するが、このとき金属体７にアンテナパターン３の開口部に沿うように切り欠き部８と、切り欠き部８の１辺から金属体７の外周部へスリット１７を設けることで、切り欠き部の各辺には、アンテナパターン３に流れる電流９に対して逆方向となる渦電流１１が流れるが、スリット１７によって切り欠き部の各辺を流れる渦電流１１は金属体７の外周部へと誘導されるため、金属体７の外周部を流れる渦電流１１はアンテナパターン３に流れる電流９に対して順方向となる。そのため見かけ上アンテナパターンが大きくなった状態になり、通信相手となるカードとの結合度が強くなるため、結果として通信性能が向上することになる。

図１２は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。外部からの磁界１２によって、金属体７の外周部に沿って渦電流１３が流れ、渦電流１３によって金属体７の外周部には磁界１４が発生する。このとき金属体７にアンテナパターン３の開口部に沿うように切り欠き部８と、切り欠き部８の１辺から金属体７の外周部へスリット１７を設けることで、切り欠き部８の各辺の外周部には図１２のような磁界１４が発生するため、アンテナパターン３の内周部には図１２のような、下向きの磁界１５が発生することになる。このとき磁界１５を打ち消す方向にアンテナパターン３には渦電流１６が発生するが、この渦電流１６は金属体７の外周部に流れる渦電流１３と順方向となるため、見かけ上アンテナパターンが大きくなった状態になり、通信相手となるＲＷが発する磁界をより多く受信できるようになり、結果として通信性能が向上することになる。

図１３は本発明のアンテナ装置１と、金属体７を用いない場合のアンテナ装置を比較したときの実験結果である。測定条件は、本発明の実施例１と同様である。図１３のグラフによれば、金属体７を用いない場合のアンテナ装置と比較して、本発明のアンテナ装置１の方がより大きな誘導起電圧を発生させることができ、特に２０ｍｍ以内の近傍においてはより大きな効果が確認できる。

図１４は本発明の実施例２のアンテナ装置を用いた携帯端末の分解斜視図である。携帯端末１８とアンテナ装置１の構造については、本発明の実施例１と同様である。アンテナパターン３は、金属体７の中心に配置するのが望ましい。この場合においても、金属体７は筐体２４に貼り付けなくてもよいが、金属体７と基板２１およびそれに実装される金属部品が接近すると特性が劣化するため、金属体７と基板２１およびそれに実装される金属部品の距離をできる限り離すことが望ましい。

また、図１ではアンテナパターン３の開口部の３辺に沿うように切り欠き部８を形成しているが、切り欠き８をアンテナパターン３の開口部の２辺に沿うように形成してもよい。

図１５は、金属体７の切り欠き部８がアンテナパターン３の開口部の２辺に沿うときのアンテナ装置１と、金属体７を用いない場合のアンテナ装置を比較したときの実験結果である。図１５のグラフによれば、アンテナパターン３の開口部の２辺に沿うときも、金属体７を用いない場合のアンテナ装置と比較して、本発明のアンテナ装置１の方がより大きな誘導起電圧を発生させることができる。

本発明のアンテナ装置およびそれを用いた携帯端末装置は、通信可能領域を拡張しつつ、通信可能領域内で良好な通信性能を有するので、携帯電話等の電子機器に有用である。

１ アンテナ装置
２ アンテナ基板
３ アンテナパターン
４ 磁性体シート
５ 入出力端子
６ 入出力端子
７ 金属体
８ 切り欠き部

Claims (4)

1. 入出力端子と接続され、中央に開口部を有する略矩形のループアンテナと、
   前記ループアンテナと電気的に絶縁され、前記開口部の表裏に対応する一方の面に配置した金属体と、
   前記開口部の表裏に対応する他方の面に配置された磁性体シートと、を備え、
   前記ループアンテナの前記入出力端子が設けられる辺を除く３辺が前記金属体と沿うように、前記開口部と略同じ大きさのコの字形状の切り欠き部を前記金属体の外周に設けたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記金属体は矩形状を成し、前記切り欠き部は、前記金属体の一辺の中心に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. 請求項１記載のアンテナ装置を筐体内に設け、前記金属体を筐体の裏面に設けたことを特徴とする携帯端末装置。
4. 請求項１記載のアンテナ装置を筐体内に設け、筐体内に設けられた回路基板を金属体として用いることを特徴とする携帯端末装置。

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