JP5100576B2 - 無線装置及びアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、無線装置及びアンテナに係り、特に相手方装置に対向して無線送受信を行う無線装置及び該無線装置に設けられるアンテナに関する。

無線を利用した個体識別（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ、以下ＲＦＩＤと略す。）の技術が、鉄道の自動改札、企業や事務所の出退勤管理、各種の電子マネー等に広く用いられている。ＲＦＩＤにおいては、リーダライタと呼ばれる装置とカード又はタグと呼ばれる情報媒体との間の無線送受信を介して情報がやり取りされる（非接触データ通信）。最近では、携帯電話の一部にもＲＦＩＤに対応する機能が搭載されている。当初は携帯電話にカード機能が搭載され、その後リーダライタ機能も搭載されている。

ＲＦＩＤのシステムにおいては、リーダライタの内蔵するアンテナとカードの内蔵するアンテナを対向、近接させて通信可能な状態におくことにより、リーダライタがカードに対して情報を書き込み、またカードから情報を読み取ることができる。ＲＦＩＤ用のアンテナとしては、平面的なループ形状をなすコイル型素子が一般に用いられる。

上記のカード機能を搭載した携帯電話を例にとると、ＲＦＩＤ用のループ形状アンテナは一般に携帯電話の筐体のうち正面側又は背面側のいずれか一方に近接して取り付けられる。この場合筐体の厚みのために、アンテナは取り付けられた側に偏った磁界分布特性を示す。そのため非接触データ通信の成否又は誤り率の高低は、筐体のリーダライタに対する距離だけでなく向きによっても制限される。

従来、このような問題の解決を図る技術が知られている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。このうち特許文献１には、筐体の側面に沿って周回するようにアンテナを配置したデータ通信装置が開示されている。また、特許文献２には、本体に格納される基板により形成され、複数の方向にアンテナ軸を有する複数のアンテナからなるアンテナを備えたリーダライタが開示されている。
特開２００５−２６８６５号公報（第４ページ、図３） 特開２００５−１３４９４２号公報（第７ページ、図３）

上述した特許文献１に開示された従来の技術は、筐体の厚み方向の中央付近にアンテナを位置させることによって磁界分布の偏りを是正しようとするものである。しかし、例えば多くの携帯電話機のように開閉可能に連結された２筐体が互いに閉じられた状態では、効果が限定されるという問題がある。

上述した特許文献２に開示された従来の技術は、基板の厚み又は複数基板の階層構成によって本体の側面方向にアンテナ軸を形成するものである。しかし、その効果が基板の厚みや数に依存するため、特に筐体が薄型化されている場合に効果を発揮することが難しいという問題がある。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、アンテナに給電されたときに発生する磁界分布の偏りを無線装置の筐体の構成やサイズによらず改善し、通信可能な空間的範囲を拡大できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る無線装置は、第１の面並びに前記第１の面に対する側面にそれぞれ相当し且つ互いに対向する第２の面及び第３の面を有する筐体と、導電線が前記第１の面に略平行な第１のループ形状、前記第１のループ形状に接続され前記第２の面に略平行な第２のループ形状及び前記第１のループ形状に接続され前記第３の面に略平行な第３のループ形状をなし、かつ、給電されたとき前記第１のループ形状及び前記第２のループ形状の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くと共に前記第１のループ形状及び前記第３のループ形状の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くように形成されたアンテナとを備えたことを特徴とする。

また、請求項７に係るアンテナは、第１の面並びに前記第１の面に対する側面にそれぞれ相当し且つ互いに対向する第２の面及び第３の面を有する筐体に設けられた導電線からなるアンテナにおいて、前記第１の面に略平行な第１のループ形状をなす部分と、前記第２の面に略平行であると共に、前記第１のループ形状に接続され、給電されたとき前記第１のループ形状との間で互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くように配設された第２のループ形状をなす部分と、前記第３の面に略平行であると共に、前記第１のループ形状に接続され、給電されたとき前記第１のループ形状との間で互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くように配設された第３のループ形状をなす部分とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、導電線が筐体の１の面とその両側面にそれぞれ略平行なループ形状をなしてループ形状間の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くようにアンテナを形成することにより、無線装置の筐体の構成やサイズによらず通信可能な空間的範囲を拡大することができる。

以下、図１ないし図７を参照して、本発明の実施例を説明する。なお以下の各図を参照しながら上下左右又は水平、垂直（鉛直）をいうときは、特に断らない限り、図が表された紙面における上下左右又は水平、垂直（鉛直）を意味するものとする。また、各図の間で同一の符号は、同一の構成を表すものとする。

図１は、本発明の実施例に係る無線装置である携帯通信端末１の構成を表す斜視図である。携帯通信端末１は、第１筐体１０と第２筐体２０がヒンジ部３０を介して開閉可能に接続されることにより構成されている。図１は、第１筐体１０と第２筐体２０が相互に開いた状態の使用時において使用者側を向く面を表している。

第１筐体１０と第２筐体２０の開閉の形式は、折りたたみ式、２軸ヒンジ（ダブルスウィーベル）式等が考えられるが、これらに限るものではない。ヒンジ部３０は、第１筐体１０と第２筐体２０の間に位置して相互に開閉可能とする機構を内蔵する部分を指し、図１においては破線の楕円で囲んで表している。図１に矢印付き一点鎖線の弧で示したように、第１筐体１０を第２筐体２０に対してヒンジ部３０の周りに回動させることにより、第１筐体１０と第２筐体２０を相互に閉じることができる。

第１筐体１０の正面（図１において使用者側を向く面）側には、例えば液晶デバイスからなる表示部１１が設けられている（第１筐体１０又は第２筐体２０の背面をはじめとする他の面に、別の表示部が設けられていてもよい。）。第２筐体２０の正面側には、複数の操作キーからなる操作部が設けられている（操作キーの一部は、第１筐体１０又は第２筐体２０の側面をはじめとする他の面に設けられてもよい。）。

図２は、携帯通信端末１の第１筐体１０を第２筐体２０に対して閉じた状態において、第１筐体１０にアンテナ４０を設ける向き及び位置（ブロック矢印で示す。）を第１筐体１０の背面側から見て表す図である。上記の第１筐体１０の正面に対する背面を、背面１２とする。携帯通信端末１を図２に示す向きに置いて見たとき、背面１２の右側面に当る第１筐体１０の面を、右側面１３とする。また、背面１２の左側面に当る第１筐体１０の面を、左側面１４とする。

アンテナ４０は例えば個体無線識別（ＲＦＩＤ）のカード機能用アンテナであって、携帯通信端末１に設けられたとき図２にシンボルで表示した給電点５０において図示しない給電回路に接続され、例えば１３メガヘルツ（ＭＨｚ）帯で共振する共振回路を構成する。なお、アンテナ４０は図２から直観的に予想されるように板金で形成され、第１筐体１０に取り付けられることにより設けられてもよいが、後述するようにそれに限るものではない。

図３は、アンテナ４０が携帯通信端末１の第１筐体１０に設けられた状態を、図２と同じ向きに見て表す斜視図である。図３に表した各構成は、図２にそれぞれ同じ符号を付して表した構成と同じであるから、説明を省略する。

図４は、アンテナ４０の構成を図３と同じ向きに見て表す斜視図である。アンテナ４０は、導電線が第１のループ形状４１、第２のループ形状４２及び第３のループ形状４３（それぞれ、破線の枠で囲んで表す。）をなすように形成されたものである。次に上記の導電線の形状を、給電点５０からブロック矢印の番号順にたどって詳細に説明する。

給電点５０から例えば右向きに出発した導電線は、ブロック矢印（１）の部分、右折してブロック矢印（２）の部分、下方へ折れてブロック矢印（３）の部分を順次経過する。導電線はその後、ブロック矢印（２）の部分と逆向きのブロック矢印（４）の部分、上方へ折れてブロック矢印（５）の部分、ブロック矢印（２）の部分と同じ向きのブロック矢印（６）の部分を順次経過する。

導電線はその後、右折してブロック矢印（７）の部分、さらに右折してブロック矢印（８）の部分、下方へ折れてブロック矢印（９）の部分を順次経過する。導電線はその後、ブロック矢印（８）の部分と逆向きのブロック矢印（１０）の部分、上方へ折れてブロック矢印（１１）の部分、ブロック矢印（８）の部分と同じ向きのブロック矢印（１２）の部分、右折してブロック矢印（１３）の部分を順次経過し、給電点５０に帰り着く。なお、導電線が以上の経路を複数回経過するようにしてもよい。

第１のループ形状４１は、上記の導電線の各部分のうち、ブロック矢印（１）、（２）、（７）、（１２）及び（１３）の部分からなる。第２のループ形状４２は、上記の導電線の各部分のうち、ブロック矢印（３）、（４）、（５）及び（６）の部分からなる。第３のループ形状４３は、上記の導電線の各部分のうち、ブロック矢印（８）、（９）、（１０）及び（１１）の部分からなる。

第１のループ形状４１は、第１筐体１０の背面１２に略平行である。第２のループ形状４２は、第１筐体１０の右側面１３に略平行である。第３のループ形状４３は、第１筐体１０の左側面１４に略平行である。なお、第１ないし第３のループ形状４１ないし４３は、それぞれ複数回巻かれたものであってもよい。

アンテナ４０は、第１のループ形状４１により、第１筐体１０の背面１２に対して垂直な向きを中心に磁界分布を形成することができる。アンテナ４０は、第２のループ形状４２により、第１筐体１０の右側面１３に対して垂直な向きを中心に磁界分布を形成することができる。アンテナ４０は、第３のループ形状４３により、第１筐体１０の左側面１４に対して垂直な向きを中心に磁界分布を形成することができる。

第１のループ形状４１のブロック矢印（２）の部分と第２のループ形状４２のブロック矢印（６）の部分は互いに隣り合う位置関係にある。ブロック矢印の向きが同じであることが示すように、アンテナ４０が給電されたとき上記の互いに隣り合う部分の電流は空間的に略同方向を向く。なお、上記の互いに隣り合う部分は、第１筐体１０の背面１２と右側面１３が交差する辺に近接して沿うように配置されることが可能である。

上述したように第１のループ形状４１と第２のループ形状４２の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くことにより、これらの部分に近い範囲の磁界分布を強め合うように作用して、通信可能な空間的範囲の拡大に寄与することができる。

第１のループ形状４１のブロック矢印（１２）の部分と第３のループ形状４３のブロック矢印（８）の部分は互いに隣り合う位置関係にある。ブロック矢印の向きが同じであることが示すように、アンテナ４０が給電されたとき上記の互いに隣り合う部分の電流は空間的に略同方向を向く。なお、上記の互いに隣り合う部分は、第１筐体１０の背面１２と左側面１４が交差する辺に近接して沿うように配置されることが可能である。

上述したように第１のループ形状４１と第３のループ形状４３の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くことにより、これらの部分に近い範囲の磁界分布を強め合うように作用して、通信可能な空間的範囲の拡大に寄与することができる。

第１のループ形状４１は、右側面１３に近い部分を右半分、左側面１４に近い残りの部分を左半分としたとき、略左右対称に形成されることが可能である。また、第２のループ形状４２と第３のループ形状４３は、同様に略左右対称に形成されることが可能である。このようなループ形状の対称性によって、図３において携帯通信端末１をヒンジ部３０の側から背面１２に平行な向きに見たときの磁界分布の対称性を高め、通信可能な空間的範囲の方向によるばらつきを抑えることができる。

アンテナ４０の導電線は前述したように板金で形成され、第１筐体１０に取り付けられてもよい。アンテナ４０の導電線はフレキシブル基板の導体パターンで形成され、第１筐体１０に内蔵又はその部材の表面に貼付されてもよい。アンテナ４０の導電線は、導体パターンが第１筐体１０を構成する部材の外側（意匠面側）若しくは内側又は両側の表面にめっき又は貼付されることにより形成されてもよい。

より具体的には、例えば第１筐体１０を構成する部材の外側又は内側表面に第１筐体１０とは別の誘電体材料からなる接着層を設け、当該接着層を介して上記の導体パターンをめっきすることができる。接着層を介することにより、第１筐体１０の誘電体材料の種類に関わらず導体パターンを設けることができるので、第１筐体１０の材料として携帯通信端末１の薄型化に必要な強化誘電体材料を選ぶことも可能になる。

なお、第１筐体１０を構成する部材の両側の表面にアンテナ４０の導体パターンを形成する場合、外側と内側の電気的導通を図るためにビアホールを設ける必要がある。このような形成法によれば、アンテナ４０のループ形状設定の自由度を高めることができる。

図５及び図６を参照して、本発明の実施例の特性評価の一例を説明する。なお、比較評価の対象としたアンテナ４５は、図７に図４と同じ向きから見た形状を示すように、従来のループ形状アンテナの左右の各辺に相当する部分を筐体の側面方向に折り曲げたものとする。

図５は、図３において携帯通信端末１をヒンジ部３０の側から背面１２に平行な向きに見てアンテナ４０に給電したときの左右の向き（左側面１４の側と右側面１３の側がそれぞれ左右に相当する。）における磁界分布の一例を、シミュレーションにより求めて表すグラフである。グラフの横軸は、上記の左右の向きにおける携帯通信端末１の中央の箇所から左右に測った長さを表す。グラフの縦軸は、磁界分布の強度を表す。なお、比較対象のためアンテナ４０をアンテナ４５で置き換えた構成についても、同様のシミュレーションを行った。

上記の左右の向きにおいて通信の可否を分ける磁界分布強度のしきい値を例えば−６０ｄＢとすると、アンテナ４０の場合は左方向に７５ミリメートル（ｍｍ）、アンテナ４５の場合は左方向に６６ｍｍであって、９ｍｍの改善が得られた。この他、図５に含まれる左右の向きのほぼ全範囲において、アンテナ４０により発生する磁界強度はアンテナ４５により発生する磁界強度より高く、本実施例の効果を裏付ける結果を得ている。

図６は、図３において携帯通信端末１をヒンジ部３０の側から背面１２に平行な向きに見てアンテナ４０に給電したときの上下の向き（背面１２の法線方向）における磁界分布の一例を、シミュレーションにより求めて表すグラフである。グラフの横軸は、上記の上下の向きにおける携帯通信端末１の中央の箇所から上下に測った長さを表す。グラフの縦軸は、磁界分布の強度を表す。なお、比較対象のためアンテナ４０をアンテナ４５で置き換えた構成についても、同様のシミュレーションを行った。

上記の上下の向きにおいて通信の可否を分ける磁界分布強度のしきい値を例えば−８０ｄＢとすると、アンテナ４０の場合は下方向（背面１２の反対側方向）に１３２ミリメートル（ｍｍ）、アンテナ４５の場合は下方向に１４２ｍｍであって、１０ｍｍの改善が得られた。この他、図６に含まれる上下の向きのほぼ全範囲において、アンテナ４０により発生する磁界強度はアンテナ４５により発生する磁界強度より高く、本実施例の効果を裏付ける結果を得ている。

以上に説明した本発明の実施例によれば、筐体の複数方向にループ形状を向けると共に各ループ形状の隣接部分間の電流の空間的な向きを揃えるようにアンテナを構成することにより、通信可能な空間的範囲を拡大することができる。

以上の実施例の説明において、アンテナのループ形状をはじめとする各構成要素の形状、巻き数、配置、位置関係、導電線の経路のとり方及び順序等、またシミュレーションにおいて設定した条件は一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形が可能である。

本発明の実施例に係る無線装置（携帯通信端末）の構成を表す斜視図。 本発明の実施例に係る携帯通信端末の２筐体を閉じた状態においてアンテナを設ける向き及び位置を表す斜視図。 本発明の実施例に係る携帯通信端末の第１筐体にアンテナが設けられた状態を表す斜視図。 本発明の実施例に係るアンテナの構成を表す斜視図。 本発明の実施例に係る携帯通信端末をヒンジ部の側から背面に平行な向きに見て、アンテナに給電したときの左右の向きにおける磁界分布の一例をシミュレーションにより求めて表すグラフ。 本発明の実施例に係る携帯通信端末をヒンジ部の側から背面に平行な向きに見て、アンテナに給電したときの上下の向きにおける磁界分布の一例をシミュレーションにより求めて表すグラフ。 従来のループ形状アンテナの左右の各辺に相当する部分を筐体の側面方向に折り曲げた構成を表す斜視図。

符号の説明

１ 携帯通信端末
１０ 第１筐体
１１ 表示部
１２ 背面
１３ 右側面
１４ 左側面
２０ 第２筐体
３０ ヒンジ部
４０、４５ アンテナ
４１ 第１のループ形状
４２ 第２のループ形状
４３ 第３のループ形状
５０ 給電点

Claims (12)

1. 第１の面並びに前記第１の面に対する側面にそれぞれ相当し且つ互いに対向する第２の面及び第３の面を有する筐体と、
   導電線が前記第１の面に略平行な第１のループ形状、前記第１のループ形状に接続され前記第２の面に略平行な第２のループ形状及び前記第１のループ形状に接続され前記第３の面に略平行な第３のループ形状をなし、かつ、給電されたとき前記第１のループ形状及び前記第２のループ形状の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くと共に前記第１のループ形状及び前記第３のループ形状の互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くように形成されたアンテナとを
   備えたことを特徴とする無線装置。
2. 前記第１のループ形状及び前記第２のループ形状の互いに隣り合う部分は、前記第１の面及び前記第２の面が交差する辺に近接して沿うように配設されたことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
3. 前記第１のループ形状及び前記第３のループ形状の互いに隣り合う部分は、前記第１の面及び前記第３の面が交差する辺に近接して沿うように配設されたことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
4. 前記筐体を前記第２の面及び前記第３の面が左右の側面に相当する向きから見たとき、前記第１のループ形状は略左右対称に形成され、かつ、前記第２のループ形状及び前記第３のループ形状は互いに略左右対称に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
5. 前記導電線は、少なくとも一部が前記筐体を構成する部材の表面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
6. 前記導電線は、少なくとも一部が前記筐体を構成する部材の外側及び内側の表面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
7. 第１の面並びに前記第１の面に対する側面にそれぞれ相当し且つ互いに対向する第２の面及び第３の面を有する筐体に設けられた導電線からなるアンテナにおいて、
   前記第１の面に略平行な第１のループ形状をなす部分と、
   前記第２の面に略平行であると共に、前記第１のループ形状に接続され、給電されたとき前記第１のループ形状との間で互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くように配設された第２のループ形状をなす部分と、
   前記第３の面に略平行であると共に、前記第１のループ形状に接続され、給電されたとき前記第１のループ形状との間で互いに隣り合う部分の電流が空間的に略同方向を向くように配設された第３のループ形状をなす部分とを
   備えたことを特徴とするアンテナ。
8. 前記第１のループ形状及び前記第２のループ形状の互いに隣り合う部分は、前記第１の面及び前記第２の面が交差する辺に近接して沿うように配設されたことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
9. 前記第１のループ形状及び前記第３のループ形状の互いに隣り合う部分は、前記第１の面及び前記第３の面が交差する辺に近接して沿うように配設されたことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
10. 前記筐体を前記第２の面及び前記第３の面が左右の側面に相当する向きから見たとき、前記第１のループ形状は略左右対称に形成され、かつ、前記第２のループ形状及び前記第３のループ形状は互いに略左右対称に形成されたことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
11. 前記導電線は、少なくとも一部が前記筐体を構成する部材の表面に形成されたことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
12. 前記導電線は、少なくとも一部が前記筐体を構成する部材の外側及び内側の表面に形成されたことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。

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