JP5293369B2 - 磁性体アンテナ及びアンテナ装置 - Google Patents

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。

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。

特許第３７７２７７８号公報

一方、金属板などの磁束を通さない導体面に近接して、磁性体コアとコイル導体を備えるアンテナを配置すると、前記導体面に対して垂直方向から入射した磁束が左右のフェライトの端部から放射されるようになる。図２はその様子を示す図である。図２（Ａ）は、磁性体アンテナ１００と金属板３１とからなるアンテナ装置の正面図、図２（Ｂ）は磁性体アンテナ１００の上面図、図２（Ｃ）は磁性体アンテナ１００の下面図（金属板３１側から見た図）である。

矩形渦巻き状のコイル導体２４が形成されたフレキシブル基板２３が矩形板状の磁性体コア２２の表面に巻き付けられている。

ここで、リーダ・ライタのアンテナは図２（Ａ）における上方に有る。
図２（Ａ）に磁束の経路を示すとおり、金属板３１に対して垂直方向から入射した磁束が左右のフェライトの端部から放射されるようになる。この際、コイル内を磁束が通るため、起電力が発生する。

しかし、磁束の放射面となる左右のフェライト側面の面積が小さいため、コイルに入射した磁束の放射効率が悪い。また、金属板とアンテナとの距離が大きくなると、金属板に近接する面とは反対側の面のコイル開口部からコイル内に入射した磁束が、金属板と近接する面のコイル開口部からコイル外に放射されるようになる。この磁束はコイルと鎖交しないため、結合には寄与せず、通信性能が劣化してしまう。

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、磁束の放射効率を高めた、高感度な磁性体アンテナおよび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、この発明の磁性体アンテナは次のように構成する。
（１）コイル導体が形成されたフレキシブル基板が磁性体コアの表面に沿って巻き付けられた磁性体アンテナにおいて、
前記磁性体コアは互いに平行な第１主面と第２主面を備えた矩形板形状であり、
前記フレキシブル基板は、前記磁性体コアの互いに平行な二辺に沿った折り曲げラインで折り曲げられるとともに、前記磁性体コアを前記磁性体コアの第１主面から第２主面にかけて包み込む形状であり、
前記コイル導体は、前記磁性体コアの第１主面に沿った位置で前記折り曲げラインに直交する方向に延び、前記磁性体コアの第２主面に沿った位置で、前記磁性体コアの前記第２主面における中心方向に向かう方向に延びる部分を備えたことを特徴とする。

この構成により、磁性体コアの第１主面に対して垂直に入射した磁束が、磁性体コアの左右の側面だけではなく、磁性体コアの第２主面からも放射されるようになり、放射効率がよくなる．また、磁性体コアの第２主面に位置するコイルの開口部が小さくなるため、磁性体コアの第１主面に入射した磁束がコイルと鎖交するようになり、相手側のアンテナと強く結合する。また、コイル導体の二辺が、磁性体コアの第２主面に位置することになるので、コイル導体が磁性体コアの第１主面の磁束の入射面を塞ぐことがなく、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。

（４）前記磁性体コアは、前記フレキシブル基板に設けられたコイル導体の接続部を配置する領域に切り欠き部を備えていてもよい。

（５）また、この発明のアンテナ装置は、以上のいずれかに記載の磁性体アンテナと、当該磁性体アンテナに近接する、面状に広がる導体を有する板材（例えば基板やＬＣＤシールド板）と、を備えて構成する。

これにより、磁性体コアの或る側面から他の側面へ透過する磁束が生じて、コイル導体のループ内をこの磁束も過ぎることになるので、実効的なアンテナの開口が広がり、高感度なアンテナ装置が構成できる。

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。

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。 図２（Ａ）は、磁性体アンテナ１００と金属板３１とからなるアンテナ装置の正面図、図２（Ｂ）は磁性体アンテナ１００の上面図、図２（Ｃ）は磁性体アンテナ１００の下面図（金属板３１側から見た図）である。 図３（Ａ）は第１の実施形態に係る磁性体アンテナの構成を示す分解斜視図である。図３（Ｂ）はその磁性体アンテナに用いるフレキシブル基板２３の一方の面（金属板に近接する側の面）の斜視図、図３（Ｃ）はそれとは反対側の面の斜視図、図３（Ｄ）は磁性体アンテナ１０１の斜視図である。 図４（Ａ）は、磁性体アンテナ１０１と金属板３１とからなるアンテナ装置の正面図、図４（Ｂ）は磁性体アンテナ１０１の上面図、図４（Ｃ）は磁性体アンテナ１０１の下面図（金属板３１側から見た図）である。 磁性体アンテナ１０１及びアンテナ装置２０１の構成を示す図である。 第２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２３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。 第３の実施形態に係る磁性体アンテナに用いる磁性体コアの斜視図である。

《第１の実施形態》
図３（Ａ）は第１の実施形態に係る磁性体アンテナの構成を示す分解斜視図である。図３（Ｂ）はその磁性体アンテナに用いるフレキシブル基板２３の一方の面（金属板に近接する側の面）の斜視図、図３（Ｃ）はそれとは反対側の面の斜視図、図３（Ｄ）は磁性体アンテナ１０１の斜視図である。

図３に示すように、磁性体アンテナ１０１は、コイル導体２４が形成され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３（Ａ）中の４本の二点鎖線は、フレキシブル基板２３の折り曲げ箇所を示している。図３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が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二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の二辺に沿って且つ磁性体コア２２の二辺に沿って折り曲げられる。

図４（Ａ）は、磁性体アンテナ１０１と金属板３１とからなるアンテナ装置の正面図、図４（Ｂ）は磁性体アンテナ１０１の上面図、図４（Ｃ）は磁性体アンテナ１０１の下面図（金属板３１側から見た図）である。

コイル導体２４は、磁性体コア２２の第１主面に沿った（近接する）位置で折り曲げラインに直交する方向に延び、磁性体コア２２の第２主面に巻き付けられた状態で磁性体コア２２の第２主面に沿った位置で磁性体コア２２の中心方向に向かう傾斜方向に延びる傾斜部Ｓを備えている。そして、このコイル導体２４の傾斜部Ｓの存在によって、三角状に開いた磁束の放射部Ｔが生じる。

図５は、磁性体アンテナ１０１及びアンテナ装置２０１の構成を示す図である。磁性体アンテナ１０１とそれに近接する金属板３１とによってアンテナ装置２０１が構成される。
図５において、矢じり付き破線は磁性体コア２２を通る磁束を代表的に表している。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ＭＦがコイル導体の開口部ＣＷ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。この磁束は図４（Ｃ）に示した三角状に開いた磁束の放射部Ｔも抜ける。

この構成により、磁性体コア２２の主面に対して垂直に透過する磁束が、渦巻き状を成すコイル導体２４のループ内を過ぎることになり、このアンテナ装置２０１は相手側アンテナと強く結合する。
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。

《第２の実施形態》
図６は第２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２３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２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６（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の二辺に沿って、且つ磁性体コア２２の二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の二辺が磁性体コア２２の二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。

また、この磁性体アンテナ１０２を、第１の実施形態で図５に示したように金属板に近接させた場合にも、図５に示したものと同様の磁路が形成され、第１の実施形態の場合と同様の効果を奏する。

図６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。

《第３の実施形態》
図７は第３の実施形態に係る磁性体アンテナに用いる磁性体コアの斜視図である。
図７（Ａ）は第３の実施形態に係る磁性体アンテナの一部であるフレキシブル基板２３の展開図である。図７（Ｂ）はそのフレキシブル基板２３と磁性体コア２２とを重ねた状態を示す図、図７（Ｃ）は、フレキシブル基板２３で磁性体コア２２をくるんで構成した磁性体アンテナ１０３の平面図である。図７（Ｄ）は磁性体アンテナ１０３の回路基板３１への実装状態を示す正面図である。

図７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、磁性体コア２２とを備えている。フレキシブル基板２３には渦巻状のコイル導体２４が形成されていて、コイル導体２４の巻回中心部が導体開口部ＣＷとして形成されている。

フレキシブル基板２３には、二点鎖線で示す折り曲げ位置に隣接して接続部２５が設けられている。またフレキシブル基板２３には接続部２５の近傍に切り欠き部ＰＷが形成されている。磁性体コア２２には、前記接続部２５の近傍に切り欠き部ＣＩが形成されている。その他の構成は第１の実施形態で図３に示したものと同様である。

このようにフレキシブル基板２３に切り欠き部ＰＷ、磁性体コア２２に切り欠き部ＣＩをそれぞれ設けることにより、磁性体アンテナ１０３を回路基板３１へ実装する際に、スプリングプローブ２６等を介して接続部２５を回路基板３１へ容易に接続できるようになる。

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。

また、各実施形態では磁性体アンテナとそれに近接する金属板とでアンテナ装置を構成する例を示したが、前記金属板は面状に広がる導体を有する板材であればよく、例えば基板やＬＣＤシールド板であってもよい。

ＣＩ…切り欠き部
ＣＷ…導体開口部
ＣＷａ，ＣＷｂ…導体開口部
ＭＦ…磁束
ＰＷ…開口部
Ｓ…傾斜部
Ｔ…磁束の放射部
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
２５，２５ａ，２５ｂ…接続部
２６…スプリングプローブ
３１…金属板
１００〜１０３…磁性体アンテナ
２０１…アンテナ装置

Claims (5)

1. コイル導体が形成されたフレキシブル基板が磁性体コアの表面に沿って巻き付けられた磁性体アンテナにおいて、
   前記磁性体コアは互いに平行な第１主面と第２主面を備えた矩形板形状であり、
   前記フレキシブル基板は、前記磁性体コアの互いに平行な二辺に沿った折り曲げラインで折り曲げられるとともに、前記磁性体コアを前記磁性体コアの第１主面から第２主面にかけて包み込む形状であり、
   前記コイル導体は、前記磁性体コアの第１主面に沿った位置で前記折り曲げラインに直交する方向に延び、前記磁性体コアの第２主面に沿った位置で、前記磁性体コアの前記第２主面における中心方向に向かう方向に延びる部分を備えたことを特徴とする磁性体アンテナ。
2. 前記コイル導体は、接続された２つの渦巻き状のコイル導体である、請求項１に記載の磁性体アンテナ。
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、請求項２に記載の磁性体アンテナ。
4. 前記磁性体コアは、前記フレキシブル基板に設けられたコイル導体の接続部を配置する領域に切り欠き部を備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の磁性体アンテナ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の磁性体アンテナと、当該磁性体アンテナに近接する、面状に広がる導体を有する板材と、を備えるアンテナ装置。

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