JP5223584B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は無線通信装置に係り、特にコイル状素子からなるアンテナを備えた無線通信装置に関する。

無線を利用した非接触型の個体識別（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通信を介して情報がやり取りされる。

リーダライタの内蔵するコイル状素子からなるアンテナ（ループアンテナ又はループコイルアンテナと呼ぶことがある。）とカードの内蔵するコイル状素子からなるアンテナを対向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。携帯電話機の一部にも、このようなＲＦＩＤに対応する機能が搭載されている。

携帯電話機は、元来の使用目的である移動通信用のアンテナを備えるほか、多機能化に伴い複数のシステム用のアンテナを備えることが多い。これらのアンテナと上記のコイル状素子からなるアンテナは、実装スペースの制約から互いに近接して配置されることがある。そのような場合に、アンテナどうしの結合によって特性が影響され、通信距離や通信品質を損なうことがある。

この種の問題に対応するものとして、移動通信用のアンテナとＲＦＩＤ用のアンテナを同じフレキシブルプリント基板に形成して構成した携帯電話機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１によれば、移動通信用のアンテナとＲＦＩＤ用のアンテナを同じフレキシブルプリント基板に形成することによって両アンテナの間隔を一定に保って特性を安定させ、また電磁波遮蔽シートをフレキシブルプリント基板上に貼り付けることによってリーダライタと携帯電話機のマザーボード間の干渉を抑制する旨が記載されている。
特開第２００７−３０６２８７号公報（第６ページ、図１）

上述した特許文献１に開示された従来の技術は、無線通信装置のＲＦＩＤ用アンテナと移動通信用アンテナの間隔を一定に保つことにより特性を安定化させるものであるが、アンテナどうしの結合による特性の劣化を防止するものではない。そのため条件次第では、結合によって劣化した特性がそのままで安定するという可能性もある。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、無線通信装置のＲＦＩＤ用アンテナと他のシステム用アンテナの結合を抑制して、アンテナ特性を改善することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の無線通信装置は、個体無線識別を用途とする第１の無線通信及び前記第１の無線通信と異なる第２の無線通信に用いられる無線通信装置において、平面内に導電線がコイル状に巻回されてなり、前記第１の無線通信に用いられる第１のアンテナと、平面状に形成されて前記第１のアンテナの平面に略平行に配設され、電気的フローティングの状態におかれた導体からなる結合抑制素子と、前記第１のアンテナと前記結合抑制素子の間に配設された磁性体シートと、前記第１のアンテナの少なくとも一部の近傍に配設された前記第２の無線通信に用いられる第２のアンテナとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アンテナとは別に設けた結合抑制素子にＲＦＩＤ用アンテナを結合させることにより、他のシステム用アンテナとの結合を抑制してアンテナ特性を改善することができる。

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通信装置１の外観を表す斜視図である。無線通信装置１は例えば２の筐体が折りたたみ可能に連結されて構成され、図１は折りたたまれた状態を表している。無線通信装置１の２の筐体のうち、図１では下側に当る方を筐体１０とする。

図２は、筐体１０を構成する部材の下半分（以下の説明では、この部分を筐体１０と呼ぶ。）を簡略化して表すと共に、筐体１０に搭載されるアンテナ等の構成を表す図である。筐体１０は、図２に示すように例えば縦長の浅い容器に模して表すことができる。筐体１０の底面の上側及び下側が、無線通信装置１の内側及び外側にそれぞれ対応する。

筐体１０の底面に、平面状のフレキシブル基板１１が設けられている。フレキシブル基板１１には、筐体１０の底面に設けられる部品又はモジュールの実装位置に対応して、円形と矩形の抜き穴が設けられている。フレキシブル基板１１は導体パターンを有し、該導体パターンがコイル状に巻回されると共に両端が第１給電点１２に接続されて第１アンテナ１３が構成される。

第１アンテナ１３は、個体無線識別（ＲＦＩＤ）のために用いられるコイル型アンテナであって、通信の相手方（リーダライタ又はＩＣカード）のアンテナとの間で電磁誘導方式による送受信を行う。

筐体１０の一方の側面近傍に、第２給電点１４に接続された第２アンテナ１５が設けられている。第２アンテナ１５は、第１アンテナ１３の上記筐体１０の側面に近い方の一部の近傍に配設されている。第２アンテナ１５は、例えば２．４ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯を用いる近距離無線通信用のいわゆる逆Ｌ型の先端開放モノポール型アンテナである。ただし第２アンテナ１５の周波数及びタイプは、これらに限るものではない。

フレキシブル基板１１の上に重ねて第１アンテナ１３を覆うように、磁性体シート１６が設けられる。磁性体シート１６には、上述したフレキシブル基板１１の円形と矩形の抜き穴に対応する位置及び形状の抜き穴が、それぞれ設けられている。図２においては、磁性体シート１６に斜線のハッチングを付して表している。

磁性体シート１６の上に重ねて、絶縁性の材料からなる押え用部材１７が設けられる。押え用部材１７には、上述したフレキシブル基板１１及び磁性体シート１６の円形と矩形の抜き穴に対応する位置及び形状の抜き穴が、それぞれ設けられている。押え用部材１７の下面（磁性体シート１６に当接する面）に、平面状に形成された導体からなる結合抑制素子１８が設けられている。

結合抑制素子１８は、フレキシブル基板１１のなす平面に略平行に配設される。図２においては、結合抑制素子１８の設けられた押え用部材１７の下面が見えない側に当るため、結合抑制素子１８の輪郭を破線で表すと共に輪郭の内部にクロスハッチングを付している。結合抑制素子１８は、電気的フローティングの状態におかれた一種の無給電素子である。

次に、上記のように構成された無線通信装置１の動作について説明する。仮に上記の構成のうち結合抑制素子１８を欠くとすると、第２アンテナ１５と第１アンテナ１３（の特に第２アンテナ１５の近傍に位置する一部）が電気的に結合して、第２アンテナ１５の利得（又は放射効率）の低下を招く。これは、第１アンテナ１３が例えば１３メガヘルツ（ＭＨｚ）帯の共振回路の一部を構成し、その共振波長が第２アンテナ１５の共振波長より２桁大きいものであるため、第２アンテナ１５から見て十分に大きい電気長を持つ第１アンテナ１３が近接して配置されると容易に結合することによる。

これに対して、上記の通り結合抑制素子１８が第１アンテナ１３と略平行に設けられると、第１アンテナ１３は第２アンテナ１５よりも対向面積の大きい結合抑制素子１８の方に専ら結合する。そのため、第２アンテナ１５から放射される電磁波のエネルギーのうち第１アンテナ１３に結合する分が減少し、残りの空間に放射される分が増大して第２アンテナ１５の利得（又は放射効率）が改善される。

第１アンテナ１３が専ら結合抑制素子１８の方に結合すると、両者の磁界を介した結合による渦電流損と第１アンテナ１３のＱ値の低下を招くことがある。磁性体シート１６を第１アンテナ１３と結合抑制素子１８の間に設けることによって、これらの渦電流損及びＱ値の低下を軽減することができる。

結合抑制素子１８を設けたことによる第２アンテナ１５の放射効率改善の効果について、図３を参照して説明する。図３は、図１及び図２に示した構成、状態の４通りの場合において、第２アンテナ１５の放射効率を測定して得たデータの一例を示す図である。図３の横軸は周波数（単位はＭＨｚ）を表し、図示した３点の周波数について測定を行った。図３の縦軸は放射効率（単位はデシベル（ｄＢ））を表す。

図３の凡例に示すように、近距離無線通信用の３点の周波数におけるプロットを実線で結んで表したデータは、図２に示したように結合抑制素子１８を設けて図１に示したように無線通信装置１の２筐体を折りたたんで閉じた状態に対応する。３点の周波数におけるプロットを破線で結んで表したデータは、図２に示したように結合抑制素子１８を設けて図１に示したのと異なり無線通信装置１の２筐体を開いた状態に対応する。

また、３点の周波数におけるプロットを一点鎖線で結んで表したデータは、図２に示したのと異なり結合抑制素子１８を設けず図１に示したように無線通信装置１の２筐体を折りたたんで閉じた状態に対応する。３点の周波数におけるプロットを点線で結んで表したデータは、図２に示したのと異なり結合抑制素子１８を設けず図１に示したのと異なり無線通信装置１の２筐体を開いた状態に対応する。

図３に示すように、結合抑制素子１８を設けることによって設けない場合よりも最大で４ｄＢ以上の放射効率改善が得られており、本発明の効果が顕著に表れている。

一方、結合抑制素子１８を設けることによって渦電流損や第１アンテナ１３のＱ値の低下を招く可能性があるので、結合抑制素子１８の形状及びレイアウトを選択してこれらの問題を軽減する必要がある。図４ないし図６は、押え用部材１７の図２における下面に設けられた結合抑制素子１８の３通りの形状及びレイアウトを表す図である。

図７は、結合抑制素子１８が上記の３通りの形状のいずれかである場合と、押え用部材１７の全面に設けられた場合と、結合抑制素子１８を設けない場合のそれぞれについて、無線通信装置１を外部のリーダライタに接近させることにより第１アンテナ１３の端子間に得られる電圧を測定して得たデータの一例を示す図である。

図７の横軸は無線通信装置１と外部のリーダライタの間の距離（単位はミリメートル（ｍｍ））、縦軸は端子間電圧（単位はボルト（Ｖ））を表す。図７の凡例に示すように、破線は結合抑制素子１８を設けない場合のデータを表す。この場合は上記の問題がないから、図示した距離の範囲において、結合抑制素子１８を設けた他の場合よりも高い端子間電圧が得られることがわかる。

図７の一点鎖線、点線および実線は、それぞれ、結合抑制素子１８の形状及びレイアウトを図４、図５及び図６に示した通りにした場合のデータを表す。図７の二点鎖線は、結合抑制素子１８を押え用部材１７の全面に設けた場合のデータを表す。二点鎖線のデータの条件は、結合抑制素子１８の面積が最大であり、かつ、渦電流損を生じやすいループ形状を含むために、図示した距離の範囲において端子間電圧が最も低下する。

これに対して、図４ないし図６に示した形状及びレイアウトの結合抑制素子１８は非ループ状に形成されているので、渦電流損やQ値の低下を軽減することができ、図示した距離の範囲において（結合抑制素子１８を押え用部材１７の全面に設けた場合に比べて）端子間電圧が２Ｖ程度改善されることがわかる。

なお、第１アンテナ１３はフレキシブル基板１１の導体パターンからなるものとしたが、これに限ることなく、例えばリジッド基板の導体パターン又は線材からなるものとしてもよい。

以上に説明した本発明の実施例によれば、ＲＦＩＤ用アンテナの特性を一定の程度保ちながら、同時に他のシステム用アンテナの放射効率特性を改善することができる。なお、以上の実施例の説明において、各構成要素の形状、配置、位置関係等は例示したものであり、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通信装置の外観を表す斜視図。 実施例に係る無線通信装置の筐体を構成する部材の下半分に搭載されるアンテナ等の構成を表す図。 実施例に係る無線通信装置の構成、状態の４通りの場合における第２アンテナの放射効率を測定して表す図。 実施例に係る押え用部材に設けられた結合抑制素子の形状及びレイアウトの第１例を表す図。 実施例に係る押え用部材に設けられた結合抑制素子の形状及びレイアウトの第２例を表す図。 実施例に係る押え用部材に設けられた結合抑制素子の形状及びレイアウトの第３例を表す図。 実施例に係る結合抑制素子の形状及びレイアウトの条件ごとに第１アンテナの端子間電圧を測定して表す図。

符号の説明

１ 無線通信装置
１０ 筐体
１１ フレキシブル基板
１２ 第１給電点
１３ 第１アンテナ
１４ 第２給電点
１５ 第２アンテナ
１６ 磁性体シート
１７ 押え用部材
１８ 結合抑制素子

Claims (5)

1. 個体無線識別を用途とする第１の無線通信及び前記第１の無線通信と異なる第２の無線通信に用いられる無線通信装置において、
   平面内に導電線がコイル状に巻回されてなり、前記第１の無線通信に用いられる第１のアンテナと、
   平面状に形成されて前記第１のアンテナの平面に略平行に、前記第１のアンテナの平面の一部を覆うように配設され、電気的フローティングの状態におかれた導体からなる結合抑制素子と、
   前記第１のアンテナと前記結合抑制素子の間に、前記第１のアンテナの平面の略全部を覆うように配設された磁性体シートと、
   前記第１のアンテナの少なくとも一部の近傍に配設された前記第２の無線通信に用いられる第２のアンテナとを
   備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記第１のアンテナは電磁誘導方式による送受信を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記結合抑制素子の導体は非ループ状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記結合抑制素子は、前記第１のアンテナに対する対向面積が前記第２のアンテナよりも大きい形状及び位置関係をとることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
5. 前記第１のアンテナの導電線は、リジッド基板若しくはフレキシブル基板の導体パターン又は線材からなることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。

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