JP5472455B2 - 通信端末およびカード型アンテナモジュール - Google Patents

Description

本発明は、通信端末およびカード型アンテナモジュールに関し、特にＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム用のカード型アンテナモジュールと、それを備えた通信端末に関する。

物品の管理システムとして、リーダライタとＲＦＩＤタグとを非接触方式で通信させ、リーダライタとＲＦＩＤタグとの間で情報を伝達するＲＦＩＤシステムが知られている。
リーダライタおよびＲＦＩＤタグは、無線信号を処理するためのＲＦＩＣチップと、無線信号を送受するためのアンテナとでそれぞれ構成されており、ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナとの間で、磁界や電磁界を介して、所定の情報が送受される。

近年、携帯電話等の通信端末にＲＦＩＤシステムを導入し、この通信端末をリーダライタやＲＦＩＤタグとして利用することがある。このように通信端末にＲＦＩＤ機能を付与する技術として、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されているように、カード型アンテナモジュールを用いる技術が知られている。この技術は、通信端末の筐体にアンテナやＲＦＩＣチップを備えたカード型アンテナモジュールを差し込み、カード型アンテナモジュールを備えた通信端末をＲＦＩＤリーダやＲＦＩＤタグとして利用するものである。

特開２００６−０５４７７２号公報 国際公開第２００７／１２５９４８号パンフレット

ところで、近年、通信端末の筐体には、フェリカ（ＦｅｌｉＣａ：登録商標）やＮＦＣ（Near Field Communication）などのＨＦ帯ＲＦＩＤシステム用アンテナが内蔵されていることが多い。通信端末の筐体にＨＦ帯用のアンテナが内蔵されている場合、特に、カード型アンテナモジュールがＨＦ帯ＲＦＩＤシステム用アンテナを含んでいる場合には、モジュール側のアンテナと端末筐体側のアンテナとが磁界を介して結合してしまい、モジュール側アンテナの所望の動作が得られないことがある。

これに対し、カード型アンテナモジュールに磁性体や金属の平板を貼り付けておき、このモジュールを端末筐体に挿入したときに磁性体や金属の平板で端末筐体側アンテナを遮蔽してしまえば、モジュール側のアンテナと端末筐体側のアンテナとの結合を小さくすることが可能であるが、端末筐体側アンテナを完全に覆わないと、モジュール側アンテナと端末筐体側アンテナとが結合してしまう。また、端末筐体側アンテナを完全に覆うためには、大面積の磁性体平板や金属平板を設ける必要がある。すなわち、カード型アンテナモジュールは、端末筐体のスロットに挿入して動作させるが、このスロットへの挿入という操作だけで端末筐体側アンテナを完全に遮蔽するのは困難である。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、端末筐体側アンテナとモジュール側アンテナとの結合を最小限に抑え、モジュール側アンテナの所望の動作が得られる通信端末、および、この通信端末に挿入される小型・薄型のカード型アンテナモジュールを提供することにある。

本発明の通信端末は、端末筐体側アンテナを備えた端末筐体と、端末筐体に装填されるカード型アンテナモジュールとを備えた通信端末であって、カード型アンテナモジュールは、端末筐体側アンテナに近接した位置に配置され、端末筐体側アンテナと結合する結合用共振器と、結合用共振器よりも端末筐体側アンテナから離れた位置に配置されたモジュール側アンテナと、を備え、前記結合用共振器は、他の回路からは電気的に独立している、あるいは、グランドに接続されていることを特徴とする。

また、本発明のカード型アンテナモジュールは、端末筐体側アンテナを備えた通信端末の端末筐体に装填されるカード型アンテナモジュールであって、端末筐体側アンテナに近接した位置に配置され、端末筐体側アンテナと結合しうる結合用共振器と、結合用共振器よりも端末筐体側アンテナから離れた位置に配置されるモジュール側アンテナと、を備え、前記結合用共振器は、他の回路からは電気的に独立している、あるいは、グランドに接続されていることを特徴とする。

通信端末に装填されるカード型アンテナモジュールは、端末筐体側アンテナと結合する結合用共振器を備えているため、端末筐体側アンテナとモジュール側アンテナとの結合を最小限に抑えることができ、ゆえに、小型かつ薄型で、所望の周波数特性を有する通信端末およびカード型アンテナモジュールを実現できる。

図１は第１の実施形態のカード型アンテナモジュール１０１および通信端末２０１の斜視図である。 図２（Ａ）はカード型アンテナモジュール１０１の斜視図、図２（Ｂ）はモジュール側アンテナ２２の斜視図である。 図３は通信端末の内部にカード型アンテナモジュール１０１が装填される様子を示す斜視図である。 図４（Ａ）は、第２の実施形態のカード型アンテナモジュール１０２の内部構造を示す図、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、第２の実施形態のカード型アンテナモジュール１０２が装填された状態での通信端末２０２の内部構造を示す図である。 図５は第３の実施形態のカード型アンテナモジュール１０３の斜視図である。 図６は第４の実施形態の通信端末の内部にカード型アンテナモジュール１０１が挿入される様子を示す斜視図である。 図７は第５の実施形態の通信端末の内部にカード型アンテナモジュール１０５が挿入される様子を示す斜視図である。

以下、本発明の通信端末およびカード型アンテナモジュールを具体的な実施の形態に基づき説明する。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態のカード型アンテナモジュール１０１および通信端末２０１の斜視図である。

この通信端末２０１は、フェリカやＮＦＣ等、ＨＦ帯用の端末筐体側アンテナを備えた端末筐体１０と、この端末筐体１０に装填されたカード型アンテナモジュール１０１とを含んで構成される。カード型アンテナモジュール１０１は、ＨＦ帯用のモジュール側アンテナ２２を備えており、たとえばＨＦ帯ＲＦＩＤシステムを構成するためのリーダライタモジュールとして構成されている。

通信端末２０１は、ＵＨＦ帯の各種通信システムに対応可能な携帯電話として構成されたものであり、図１に示すように、端末筐体１０の一方主面に、液晶や有機ＥＬ等で構成された表示部１３、所定の情報を入力するための操作部１４を有しており、端末筐体１０の上面に、カード型アンテナモジュール１０１を装填するための挿入口１２を有している。端末筐体１０の内部には、図３に示すように、フェリカやＮＦＣ等のＨＦ帯用の端末筐体側アンテナが備えられている。この端末筐体側アンテナは、金属線をコイル状に巻回することによって構成されており、他方主面側の端末筐体内側に設けられている。

図２（Ａ）は前記カード型アンテナモジュール１０１の斜視図、図２（Ｂ）は前記モジュール側アンテナ２２の斜視図である。

図１および図２に示すように、カード型アンテナモジュール１０１は、ＨＦ帯リーダライタ用のアンテナとして機能するモジュール側アンテナ２２、このモジュール側アンテナ２２に接続され、リーダライタを構成するための各種機能を有した回路部品２３、ならびに、結合用共振器として機能する結合用コイル２１を備えている。モジュール側アンテナ２２は、カード型アンテナモジュール１０１の基材２０の長手方向における一方端に設けられており、結合用コイル２１はこの基材２０の長手方向における他方端近傍に設けられている。この結合用コイル２１は、他の回路からは電気的に独立していてもよいし、グランドに接続されていてもよい。

図３は前記通信端末の内部にカード型アンテナモジュール１０１が装填される様子を示す斜視図である。この図３は端末筐体１０の前面側部分を取り外した状態にし、且つ説明に必要な主要部のみを表している。

図１、図２および図３に示すように、カード型アンテナモジュール１０１におけるモジュール側アンテナ２２は、カード型アンテナモジュール１０１を端末筐体１０に装填したときに端末筐体側アンテナ１１から離れた位置、さらに具体的には、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１との間隔よりも大きな間隔をおいて、基材２０に設けられている。

図２（Ｂ）に表れているように、モジュール側アンテナ２２は、フレキシブルなシート状基材を積層してなる積層体に積層コイル状パターンが形成されることによって構成されている。そして、そのフレキシブル性を利用して、カード型アンテナモジュール１０１の基材２０の主面および側面に折り曲げられながら連続的に貼り付けられている。

カード型アンテナモジュール１０１における回路部品２３は、ＨＦ信号を処理するためのロジック回路やメモリ回路を含んだ半導体ＩＣチップ、さらには、整合回路やフィルタ回路等を構成するためのチップ型コンデンサ、チップ型インダクタ等の受動部品チップを含んでおり、ＨＦ帯リーダライタを構成するための各種機能ブロックを構成している。

カード型アンテナモジュール１０１における結合用コイル２１は、結合用共振器として機能するものである。この結合用コイル２１は、カード型アンテナモジュール１０１を端末筐体に装填したときに、コイルパターンにて形成された端末筐体側アンテナ１１に近接した位置、より具体的には端末筐体側アンテナ１１と対向する位置に配置され、端末筐体側アンテナ１１と結合する。この結合用コイル２１も、フレキシブルなシート状基材を積層してなる積層体に積層コイル状パターンが形成されることによって構成されている。この積層コイル状パターンの巻回軸は基材２０の主面に対して垂直となるように配置されている。結合用コイル２１は、積層コイル状パターンによるインダクタンス成分と各パターンの線間容量によるキャパシタンス成分をもっており、これらインダクタンス成分およびキャパシタンス成分でＬＣ共振器が構成されている。この結合用コイル２１の共振周波数は、端末筐体側アンテナ１１の共振周波数とほぼ同等であり、端末筐体側アンテナ１１と磁界を介して結合する。

この実施形態では、端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２とはほぼ同じ周波数帯で利用されるアンテナであるが、カード型アンテナモジュール１０１は端末筐体側アンテナ１１と結合する結合用コイル２１を備えているため、このカード型アンテナモジュール１０１が装填された状態では、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１とが結合し、この結合状態の素子（以下、「結合素子」）の共振周波数がモジュール側アンテナ２２の共振周波数から大きく離れるため、端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２との結合を最小限に抑えることができる。ゆえに、小型かつ薄型で、所望の周波数特性を有するカード型アンテナモジュール１０１を備えた通信端末２０１を実現できる。

前記端末筺体側アンテナ１１は例えばフェリカ（登録商標）のアンテナである。また、カード型アンテナモジュール１０２は例えばＲＦＩＤのリーダ／ライター用のモジュールである。そして、カード型アンテナモジュール１０２は物品に付いているＲＦＩＤタグと交信してデータを読み取り、通信端末２０２は読み取られたＲＦＩＤタグのデータを携帯電話の通信機能で、管理センターなどのデータベースに送信する。

《第２の実施形態》
図４（Ａ）は、第２の実施形態のカード型アンテナモジュール１０２の内部構造を示す図、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、第２の実施形態のカード型アンテナモジュール１０２が装填された状態での通信端末２０２の内部構造を示す図である。

端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２との結合を小さくするためには、特に、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１との結合度が、端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２との結合度よりも大きくなればよい。第２の実施形態は、そのための一例を示すものである。

第２の実施形態では、図４（Ａ）に表れているように、各種の回路部品２３を搭載したプリント配線板２６がモジュール筐体２７の内側の底面部に配置されている。また、コイル状パターンの結合用コイル２１がシート状基材２４に形成されていて、このシート状基材２４がモジュール筐体２７の内側上面部に配置されている。

図４（Ｂ）に示すように、カード型アンテナモジュール１０２を端末筐体１０に差し込んだ状態で、結合用コイル２１は端末筐体側アンテナ１１に対向するように、且つ、端末筐体側アンテナ１１の巻回軸と結合用コイル２１の巻回軸とが一致するように、またはほぼ重なるように配置され、端末筐体１０の上部端側にモジュール側アンテナ２２が位置する。

この構造により、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１との結合度が、端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２との結合度よりも充分に大きくできる。

また、この第２の実施形態では、コイル状パターンのモジュール側アンテナ２２がフレキシブルなシート状基材２５に形成されていて、このシート状基材２５がモジュール筐体２７の内側上面部および内側側面部に折り曲げられた状態で配置されている。

したがって、端末筐体側アンテナ１１はモジュール側アンテナ２２の作用を妨げることがなく、モジュール側アンテナ２２は、図４（Ｃ）に示すような指向性（図中矢印方向に利得の高い特性）を持つようになる。

このように、カード型アンテナモジュール１０２に磁性体や金属の平板（第２の実施形態ではプリント配線板）を設けておき、このカード型アンテナモジュール１０２を端末筐体１０に装填すれば、後に示すように、端末筺体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２とが結合することがない。したがって、例えば、端末筺体側アンテナ１１の少なくとも３面（端末筺体側アンテナ１１の開口面の２面とそれに連接するモジュール側アンテナ２２側の面）を大面積のフェライトや金属板などで覆う必要が無い。そのため、小型・薄型のカード型アンテナモジュール１０２を実現できる。

本実施形態の通信端末２０２において、たとえば、端末筐体側アンテナ１１の共振周波数が１３．５６ＭＨｚであるとき、結合用コイル２１の共振周波数を１３．４５ＭＨｚのように、端末筐体側アンテナ１１の共振周波数とほぼ同等（またはわずかに低周波側）にしておくと、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１が近接したとき、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１とが磁界を介して、つまり相互インダクタンスを介して結合する。その結果、端末筐体側アンテナ１１と結合用コイル２１とが磁界を介して結合した素子（「結合素子」）の共振周波数は１２ＭＨｚ付近の低周波側にシフトする。したがって、端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２の共振周波数が近接していても、モジュール側アンテナ２２の共振周波数（たとえば１３．５６ＭＨｚ）から大きく離れることになるため、端末筐体側アンテナ１１とモジュール側アンテナ２２との結合を充分に抑えることができる。

また、たとえば、モジュール側アンテナ２２の共振周波数を初期的に１０ＭＨｚと低くした状態に設計し、モジュール側アンテナ２２、結合用コイル２１および端末筐体側アンテナ１１を互いに電磁界結合させることにより、これらの結合した素子（結合素子）の共振周波数を１３．５６ＭＨｚにシフトさせることで、カード型アンテナモジュール１０２を端末筐体１０に装填したときだけ動作するようにすることもできる。

特に、端末筐体側アンテナ１１および結合用コイル２１にて構成された素子（「結合素子」）は、モジュール側アンテナ２２からみたとき、その共振周波数が低いため、等価的には単なる金属板として作用し、この「結合素子」とモジュール側アンテナ２２とが結合しうるような位置に配置されていれば、すなわち結合用コイル２１とモジュール側アンテナ２２とが近接配置されていれば、この「結合素子」は、モジュール側アンテナ２２のブースターアンテナとして機能し、モジュール側アンテナ２２の通信距離を大きくすることができる。

《第３の実施形態》
本発明の通信端末およびカード型アンテナモジュールを具体的な構成は第１・第２の実施形態に限定されるものではない。

図５は第３の実施形態のカード型アンテナモジュール１０３の斜視図である。この例のように、カード型アンテナモジュール１０３におけるモジュール側アンテナ２２は、基材２０の一方主面あるいは他方主面に設けられていてもよい。また、結合用コイル２１には金属薄板２８が接続されていてもよい。金属薄板２８付きの結合用コイル２１は、これをモジュール側アンテナ２２のブースターアンテナとして利用するとき、その放射利得をより大きくすることができる。

《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態の通信端末の内部にカード型アンテナモジュール１０１が挿入される様子を示す斜視図である。この図６は端末筐体１０の前面側部分を取り外した状態にし、且つ説明に必要な主要部のみを表している。

本発明の通信端末は、カード型アンテナモジュールが端末筐体に完全に装填されるような使用形態に限定されるものではなく、たとえば図６に示すように、モジュール側アンテナ２２の全領域または一部領域が端末筐体１０から突出した状態で使用されるものであってもよい。モジュール側アンテナ２２が端末筐体側アンテナ１１等、他の金属物の影響を受けにくくなるため、放射特性がより向上する。

《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態の通信端末の内部にカード型アンテナモジュール１０５が挿入される様子を示す斜視図である。この図７は端末筐体１０の前面側部分を取り外した状態にし、且つ説明に必要な主要部のみを表している。

本発明の通信端末は、たとえば図７に示すように、カード型アンテナモジュール１０５をＳＩＭカード（Subscriber Identity Module Card）型のモジュールとして構成し、端末筐体の側面に設けられた挿入口から端末携帯に装填するような形態であってもよい。

《他の実施形態》
端末筐体側アンテナと結合用コイルは、端末筐体側アンテナがＨＦ帯アンテナであれば、主に磁界を介して結合するが、端末筐体側アンテナがＵＨＦ帯やＳＨＦ帯のアンテナであれば、電磁界を介して結合していてもよい。すなわち、通信端末における端末筐体側アンテナやカード型アンテナモジュールにおけるモジュール側アンテナはＨＦ帯のアンテナに限定されるものではなく、ＵＨＦ帯やＳＨＦ帯等、他の周波数帯のアンテナであってもよい。

本発明の通信端末は、たとえばＲＦＩＤシステムに利用されるカード型アンテナモジュールを備えたものであり、物品の管理システム等として有用である。

１０…端末筐体
１１…端末筐体側アンテナ
１２…挿入口
１３…表示部
１４…操作部
２０…基材
２１…結合用コイル
２２…モジュール側アンテナ
２３…回路部品
２４，２５…シート状基材
２６…プリント配線板
２７…モジュール筐体
２８…金属薄板
１０１，１０２，１０３，１０５…カード型アンテナモジュール
２０１，２０２…通信端末

Claims (7)

1. 端末筐体側アンテナを備えた端末筐体と、前記端末筐体に装填されるカード型アンテナモジュールと、を備えた通信端末であって、
   前記カード型アンテナモジュールは、前記端末筐体側アンテナに近接した位置に配置され、前記端末筐体側アンテナと結合する結合用共振器と、前記結合用共振器よりも前記端末筐体側アンテナから離れた位置に配置されたモジュール側アンテナと、を備え、
   前記結合用共振器は、他の回路からは電気的に独立している、あるいは、グランドに接続されていることを特徴とする通信端末。
2. 前記結合用共振器はコイル状パターンで構成されており、前記端末筐体側アンテナと前記コイル状パターンとは、磁界または電磁界を介して結合している、請求項１に記載の通信端末。
3. 前記結合用共振器の共振周波数は、端末筐体側アンテナの共振周波数と同等である、請求項１または請求項２に記載の通信端末。
4. 前記モジュール側アンテナの共振周波数は、前記端末筐体側アンテナの共振周波数と同等である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の通信端末。
5. 前記モジュール側アンテナと前記結合用共振器とは、磁界または電磁界を介して結合するよう、近接配置されている、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の通信端末。
6. 前記モジュール側アンテナは、前記カード型アンテナモジュールの主面および側面に連続的に形成されている、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の通信端末。
7. 端末筐体側アンテナを備えた通信端末の端末筐体に装填されるカード型アンテナモジュールであって、
   前記端末筐体側アンテナに近接した位置に配置され、前記端末筐体側アンテナと結合しうる結合用共振器と、前記結合用共振器よりも前記端末筐体側アンテナから離れた位置に配置されるモジュール側アンテナと、を備え、
   前記結合用共振器は、他の回路からは電気的に独立している、あるいは、グランドに接続されていることを特徴とするカード型アンテナモジュール。

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