JP5381557B2

JP5381557B2 - アンテナコイル、アンテナ装置及び携帯端末

Info

Publication number: JP5381557B2
Application number: JP2009222052A
Authority: JP
Inventors: 邦明用水; 宏充伊藤; 浩行久保
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2011071814A

Description

この発明は、電磁界信号を介して外部機器と通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられるアンテナ装置及びそれを備えた携帯端末に関するものである。

ＲＦＩＤシステムで用いられる携帯電子機器に搭載されるアンテナ装置が特許文献１に開示されている。特許文献１のアンテナ装置は、コイル巻回領域の中心部を挟んで相対向する二つの位置の巻線間隔を異ならせた非対称形状のコイルを備え、巻線間隔の大きな側では、ＩＣカードと対向する主面の反対側に磁性体を配置し、巻線間隔の小さな側では、ＩＣカードと対向する主面に磁性体を配置したものである。

特許第３９７５９１８号公報

ところが、特許文献１に示されているアンテナ装置を備えた電子機器をリーダライタにかざす際に、電子機器のアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置との成す角度によっては通信が不能になるおそれがある。すなわち、ＩＣカードと携帯端末とが平行状態で通信を行う場合には問題が少ない。しかしＩＣカードではなく、備え付けのリーダライタなどと通信を行う場合には、携帯端末とリーダライタの位置（角度）が一定とならず、通信性能が劣化する問題がある。

図１は、特許文献１に示されたアンテナ装置と同様のアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置との成す角度を変えたときの、アンテナ装置のコイルを鎖交する磁束について示す図である。図１中の実線の矢印及び破線の矢印はいずれも磁束を模式的に表している。

磁性体コア１の第１主面は平面導体２に近い側に対面し、コイル導体のうち第１の導体部分１１は磁性体コア１の第１主面に近接し、コイル導体のうち第２の導体部分１２は磁性体コア１の第２主面に近接する。そして、磁性体コア１と前記コイル導体とによるアンテナコイルが平面導体２の端部付近に配置されて、アンテナ装置が構成される。

図１（Ａ）のように、磁性体コア１とリーダライタ側アンテナ装置３０とが平行である場合には、すなわち、両者の成す角度が０°の場合は、磁性体コア１に対して右側から入る磁束（実線）が左側から入る磁束（破線）より大きく、コイルには起電力が発生する。

しかし、その状態から角度をつけた状態にすると、リーダライタから離れた側（右側）から入る磁束が減少し、リーダライタに近い側（左側）から入る磁束が増加するため、ある角度で左右の磁束が完全に等しくなり、起電力が発生しないポイントが発生する。このような状態では通信不能となる。

そこで、この発明の目的は、リーダライタの読み取り面に対して成す角度に依存する通信性能の劣化を抑えたアンテナ装置及びそれを備えた携帯端末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コイルは、コイル導体が形成されたフレキシブル基板と、磁性体コアとを備え、前記コイル導体は、巻回中心部を中心として渦巻き状に形成され、前記フレキシブル基板は、前記コイル導体の巻回中心部に第１の開口を備え、前記フレキシブル基板は、前記巻回中心部以外の領域で、隣接する所定のコイル導体間に第２の開口を備え、前記磁性体コアは、前記フレキシブル基板の第１の主面から前記第１の開口を貫通し、且つ前記フレキシブル基板の第２の主面から前記第２の開口を貫通する状態に設けられたものとする。

例えば、前記磁性体コアは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である。

また、この発明のアンテナ装置は、前記アンテナコイルと、このアンテナコイルに隣接する平面導体とを備え、前記アンテナコイルは前記平面導体の端部付近に配置され、前記磁性体コアは、前記平面導体の端部より外方へ向かう部分が他の部分に比べて太くする。

前記磁性体コアは、前記平面導体の端部より外方にはみ出した位置で前記平面導体の面に対してほぼ垂直方向へ折り曲げられたような形状であってもよい。

この発明の携帯端末は、前記のいずれかに記載のアンテナ装置を筐体内に備えたものである。

この発明によれば、リーダライタのアンテナに対して前記アンテナ装置の成す角度が０°〜９０°の範囲内で、コイル導体を鎖交する互いに逆方向の磁束が等しくなることがなく、すなわち磁束を互いに打ち消しあうことがなく、０°〜９０°の範囲又はそれ以上の範囲で通信を安定に行うことができる。

また、前記磁性体コアを、小片化された焼結磁性体で構成することにより、アンテナコイル全体に柔軟性をもたせることができ、携帯端末等の組み込み先電子機器の筐体内に高い自由度のもとで組み込める。

また、磁性体コアの、前記平面導体の端部寄りの部分を他の部分に比べて太くすることによって、磁気抵抗が低下し、通信性能が向上する。

また、平面導体の端部より外方にはみ出た、磁性体コアの端部が平面導体方向へ折り曲げられた形状であれば、磁気抵抗が低下し、通信性能が向上する。

特許文献１に示されたアンテナ装置と同様のアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置との成す角度を変えたときの、アンテナ装置のコイルを鎖交する磁束について示す図である。第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図３（Ａ）はアンテナコイルの構成要素である磁性体コア１とフレキシブル基板１０の構成を示す平面図、第３（Ｂ）はフレキシブル基板１０に磁性体コア１を挿入して構成されたアンテナコイルの平面図である。アンテナ装置を筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θを変化させたときの、アンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。図６（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１及びフレキシブル基板１０の平面図、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。図７（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図７（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。図８（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４の平面図、図８（Ｂ）はアンテナ装置１０４の正面図である。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
図２（Ａ）は、アンテナコイル２１及びそれを実装する矩形板状の回路基板２０を備えるアンテナ装置１０１の平面図である。図２（Ｂ）は、前記アンテナ装置１０１の正面図である。

また、図３（Ａ）はアンテナコイルの構成要素である磁性体コア１とフレキシブル基板１０の構成を示す平面図、図３（Ｂ）はフレキシブル基板１０に磁性体コア１を挿入して構成されたアンテナコイルの平面図である。さらに、図３（Ｃ）は図３（Ｂ）の底面図である。

図３（Ａ）に示されているように、フレキシブル基板１０には、巻回中心部ＣＣを中心として渦巻き状のコイル導体ＣＷが形成されている。また、フレキシブル基板１０には、コイル導体ＣＷの巻回中心部ＣＣに第１の開口Ａ１を備え、巻回中心部ＣＣ以外の領域で、互いに隣接する所定のコイル導体間に第２の開口Ａ２を備えている。

ここで、コイル導体ＣＷのうち、第１の開口Ａ１と第２の開口Ａ２との間にある導体を第２の導体部分１２、第１の開口Ａ１を挟んで第２の導体部分１２と対向する位置の導体を第１の導体部分１１、第２の開口Ａ２を挟んで第２の導体部分１２と対向する位置の導体を第３の導体部分１３という。

磁性体コア１は矩形板形状に成形されたフェライトのコアである。この磁性体コア１は、フレキシブル基板１０の第１の主面（図３（Ａ）において裏面）から第１の開口Ａ１を貫通し、且つフレキシブル基板１０の第２の主面（図３（Ａ）において表面）から第２の開口Ａ２を貫通する状態に設けられる。

図３（Ａ）に示すように、コイル導体ＣＷは、第１の導体部分１１、第２の導体部分１２、及び第３の導体部分１３を備えている。前記磁性体コア１とコイル導体ＣＷとによってアンテナコイル２１が構成されている。

図２において、回路基板２０には面状に広がるグランド電極が形成されている。このグランド電極がこの発明に係る平面導体に相当する。図２に示されているように、アンテナコイル２１は、第２の導体部分１２が回路基板２０に対面し、第１の導体部分１１及び第３の導体部分１３がリーダライタ側アンテナ装置３０に対面するように配置されている。また、第１の導体部分１１に比べて第３の導体部分１３が回路基板２０の端部寄りになるように配置されている。

なお、アンテナ装置１０１は携帯端末の筐体内に納められるが、図２では筐体を除いた状態で表している。

図４は、アンテナ装置を筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θを変化させたときの、アンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。図４中の破線の矢印線は磁束の経路を模式的に表している。
図４（Ａ）はθ＝０°での磁束の経路、図４（Ｂ）はθ＝４５°での磁束の経路、図４（Ｃ）はθ＝９０°での磁束の経路である。
θ＝０°のとき、リーダライタの磁束の一部ＭＦａは、第１の導体部分の右半分の導体部分１１ａ及び第３の導体部分１３を含むコイル部（平面巻きコイル部）と鎖交する。

θ＝４５°のとき、リーダライタの磁束の一部ＭＦｂ１は、第１の導体部分の右半分の導体部分１１ａ及び第３の導体部分１３を含むコイル部（平面巻きコイル部）と鎖交する。また、リーダライタの磁束の一部ＭＦｂ２は、第２の導体部分１２及び第１の導体部分の左半分の導体部分１１ｂを含むコイル部（Ｚ巻きコイル部）と鎖交する。

θ＝９０°のとき、リーダライタの磁束ＭＦｃは、第２の導体部分１２及び第１の導体部分の左半分の導体部分１１ｂを含むコイル部（Ｚ巻きコイル部）と鎖交する。

このように、リーダライタ側アンテナ装置３０に対して携帯端末をかざす角度θが０°〜９０°のいずれの角度であっても、起電力が０になるような状況は生じない。

なお、図４（Ａ）の磁束ＭＦａ、図４（Ｂ）の磁束ＭＦｂ１，ＭＦｂ２、及び図４（Ｃ）の磁束ＭＦｃは、それぞれ模式的に表したものであって、実際には磁束の強度がそれぞれ異なる。例えば図４（Ｃ）の磁束ＭＦｃの強度は図４（Ｂ）の磁束ＭＦｂ２の強度より大きい。そのため、θ＝９０°であってもθ＝４５°の場合とほぼ同等の起電力が得られる。また、図４（Ａ）の磁束ＭＦａの強度は図４（Ｂ）の磁束ＭＦｂ１の強度より大きい。そのため、θ＝０°であってもθ＝４５°の場合とほぼ同等の起電力が得られる。
なお、アンテナコイル２１のコイル導体ＣＷの両端は回路基板上の所定の端子電極に接続される。この接続構造については図示を省略している。

図５はリーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。ここでは、第１の実施形態に係るアンテナコイル２１を備えたアンテナ装置と、その比較対象として「平面巻きコイル」のアンテナコイルを備えたアンテナ装置及び「Ｚ巻きコイル」のアンテナコイルを備えたアンテナ装置を挙げた。「平面巻きコイル」とは、矩形渦巻き状のコイル導体が形成されたフレキシブル基板１０を磁性体コア１に重ねたものである。また、「Ｚ巻きコイル」とは、矩形渦巻き状のコイル導体が形成されたフレキシブル基板１０に対して、前記矩形渦巻き状のコイル導体の巻回中心部の開口に磁性体コア１を挿入したものである。なお、第１の実施形態に係るアンテナコイル２１を「ハイブリッド巻きコイル」という名称で表した。

図５において、「平面巻きコイル」を備えた従来のアンテナ装置では、角度θ＝０°で最大通信距離が大きいが、θが増すほど、最大通信距離は低下し、θ＝７５°以上では殆ど通信できない。また、「Ｚ巻きコイル」を備えた従来のアンテナ装置では、角度θ＝０°及びθ＝９０°で最大通信距離が大きいが、θが３０°〜４５°の範囲では最大通信距離は大きく低下する。

これに対し、本発明のアンテナ装置によれば、角度θが０°〜９０°の全ての範囲に亘って最大通信距離を安定に保つことができ、最大通信距離が大きく低下する角度範囲が生じないことが分かる。

《第２の実施形態》
図６（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１及びフレキシブル基板１０の平面図、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。
図３に示したアンテナコイル２１と異なるのは、磁性体コア１の一方端が他の部分より太く形成されていることである。

このような形状の磁性体コア１を用いることにより、磁性体コア１を通る磁束が強くなり、通信相手のアンテナとの磁界結合を強めることができ、通信可能最長距離が長くなるなど、通信性能が向上する。特に、磁性体コア１の第１の導体部分１１に近接する部分を他の部分より太くすることによって、回路基板の端部付近での集磁効果が高まり、通信性能がより向上する。

なお、図６に示したアンテナコイル２２では、磁性体コア１の一方の端部の全体が広く（太く）形成されているが、この部分は外側程広い台形状であってもよい。また、磁性体コア１の中央から両端部にかけて共に幅が広くなる蝶形状であってもよい。

《第３の実施形態》
図７（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１及びフレキシブル基板１０の平面図、図７（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。このアンテナコイル２３は、矩形板形状の磁性体コア１とコイル導体が形成されたフレキシブル基板１０を備えている。図６（Ｂ）に示されているアンテナコイル２２と異なるのは、磁性体コア１の構造である。

図７（Ａ）に示されている磁性体コア１は、フェライト粉などの磁性体粉と樹脂材との混成体をシート状に成形し、さらにそれを複数に小片化したものを焼結して焼結磁性体を作成し、複数の小片の両面をフィルムでラミネートしたものである。図７中の破線で区切られた部分は、焼結磁性体の小片を表している。このような構成により、磁性体コア１全体は柔軟性をもつことになる。そのため、このアンテナコイル２３は例えば携帯端末の筐体内の単一平面に限らずに、筐体の内面に沿って設けることができる。したがって種々の形状の筐体内に容易に組み込める。

《第４の実施形態》
図８（Ａ）は前記アンテナ装置１０４の平面図、図８（Ｂ）は前記アンテナ装置１０４の正面図である。但し、図８（Ｂ）ではリーダライタ側アンテナ３０との位置関係も併せて表している。
図２に示した第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なるのは、アンテナコイル２４の構成及びその配置位置である。

第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４に備える磁性体コア１は、概略的には矩形板形状のフェライトコアであるが、回路基板２０の端部より外方にはみ出した位置で回路基板２０の面に対してほぼ垂直方向へ折り曲げられた形状となっている。

また、磁性体コア１の折り曲げ形状部ＡＥが回路基板２０の端部より外方にはみ出ているので、アンテナコイル２４は、図２に示した状態より、回路基板２０の外方寄りの位置に配置されている。その他は図２に示した第１の実施形態の場合と同様である。

このような形状の磁性体コア１を用い、アンテナコイルの配置位置を定めたことにより、磁性体コア１を通る磁束が強くなり、回路基板の端部付近での集磁効果も高まり、通信相手のアンテナとの磁界結合を強めることができ、通信可能最長距離が長くなるなど、通信性能が向上する。

なお、以上に示した各実施形態では、基板のグランド電極を平面導体の例として示したが、液晶表示パネルの背面に配置されるシールド板、筐体の内面に形成されている導体膜や導体箔、さらには電池パックを平面導体として扱い、アンテナ装置を構成することもできる。

Ａ１…第１の開口
Ａ２…第２の開口
ＡＥ…折り曲げ形状部
ＣＣ…巻回中心部
ＣＷ…コイル導体
１…磁性体コア
１０…フレキシブル基板
１１…第１の導体部分
１２…第２の導体部分
１３…第３の導体部分
２０…回路基板
２１〜２４…アンテナコイル
３０…リーダライタ側アンテナ装置
１０１，１０４…アンテナ装置

Claims

コイル導体が形成されたフレキシブル基板と、磁性体コアとを備えたアンテナコイルにおいて、
前記コイル導体は、巻回中心部を中心として渦巻き状に形成され、
前記フレキシブル基板は、平面視で前記コイル導体の巻回中心部に第１の開口を備え、
前記フレキシブル基板は、平面視で前記巻回中心部以外の領域で、隣接する所定のコイル導体間に第２の開口を備え、
前記磁性体コアは、前記フレキシブル基板の第１の主面から前記第１の開口を貫通し、且つ前記フレキシブル基板の第２の主面から前記第２の開口を貫通する状態に設けられた、アンテナコイル。
前記磁性体コアは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である、請求項１に記載のアンテナコイル。
請求項１又は２に記載のアンテナコイルと、このアンテナコイルに隣接する平面導体とを備え、
前記アンテナコイルは前記平面導体の端部付近に配置され、
前記磁性体コアは、前記平面導体の端部寄りの部分が他の部分に比べて太い、アンテナ装置。
請求項１又は２に記載のアンテナコイルと、このアンテナコイルに隣接する平面導体とを備え、
前記磁性体コアは、前記平面導体の端部より外方にはみ出した位置で前記平面導体の面に対してほぼ垂直方向へ折り曲げられた形状である、アンテナ装置。
請求項３又は４に記載のアンテナ装置を筐体内に備えた、携帯端末。