JP5516636B2 - 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。このようなＲＦＩＤ用のアンテナ装置として、磁性体コアを備えた磁性体アンテナが特許文献１〜３に開示されている。

ここで特許文献１〜３の各アンテナを携帯電子機器に組み込めばどのような構成になるかについて、各図を参照して説明する。
図１は特許文献１のアンテナを携帯電子機器に組み込んだ状態を示す三面図である。磁性体アンテナ３１は、基材１１に渦巻き状に形成されたコイル導体１２を備えたフレキシブル基板１０に対して、コイル導体１２と同等の形状を有するシート状または平板状の磁性体コア２０を設けたものである。

特許文献２のアンテナは、コイル導体が同心円盤状に形成され、コイル導体の径中心とコイル導体の内周部との中間に形成される磁束発生部位からコイル導体の外側に延長して高透磁率のシート状磁性体が配置されたものである。

図３は前記特許文献２の構成を矩形状の磁性体アンテナにして携帯電子機器に組み込んだ状態を示す二面図である。磁性体アンテナ３２は、基材１１に渦巻き状に形成されたコイル導体１２を備えたフレキシブル基板１０に対して、コイル導体１２の中心とコイル導体１２の内周部との中間からコイル導体１２の外側にまで延びる位置に磁性体コア２０を配置している。

特許文献３のアンテナは、ループ状のコイル導体の内側に対応する位置にのみ磁性体コアが設けられたものである。
図４は前記特許文献３の構成を矩形状の磁性体アンテナにし、携帯電子機器に組み込んだ状態を示す二面図である。磁性体アンテナ３３は、基材１１に渦巻き状に形成されたコイル導体１２を備えたフレキシブル基板１０に対して、コイル導体１２の内周部より内側に磁性体コア２０を配置している。

特開２００２−２９８０９５号公報 特開２００２−２０８８１４号公報 特開２００５−２１０２２３号公報

図１に示したアンテナにおいては、コイル導体の自己インダクタンスが、通信相手となるコイル導体との相互インダクタンスに比べて大きい。すなわち通信相手（リーダ・ライタ、ＩＣカード、ＩＣカード機能付き携帯端末等）のアンテナと磁気的結合しない磁束の割合が多いため、弱い結合しか得られず、通信性能が劣化する。

また、磁性体コア内での磁気エネルギーの損失が大きいため、通信性能が劣化する。すなわち、図１に示したようにコイル導体１２の背後に携帯端末機器の基板等の導体板４０が存在すると、通信相手のアンテナの作る磁界の一部は、図１中に磁束ＭＦａで示すような経路を通る。この磁束ＭＦａはコイル導体１２のループと鎖交しないため、アンテナ間の結合にはほとんど寄与しない。

また、磁性体アンテナ３１は、図外のコンデンサと組みあわせて共振回路が構成されるが、決められた周波数で共振させるため、コイル導体の採れる自己インダクタンス値には上限がある。そのため、コイル導体で結合にほとんど寄与しないで、言わば「近回り」して磁性体コアを磁束が通過することによって自己インダクタンスを増やすのは好ましくない。さらに、磁性体コア２０内を磁束が通ると、磁性体コア内でエネルギー損失が起こる。特に、磁束密度の高い部分（導体と磁性体コアが近接しているところ）で損失が大きい。図２はこの磁気エネルギーの損失について示す三面図である。図２において、相手側アンテナと磁束が鎖交せず、磁性体コア２０を近回りする磁束ＭＦｄによって、図２（Ｃ）でハッチングした部分で大きな損失が生じる。

そこで、この発明の目的は、相手側アンテナとの磁気的結合が強く、通信性能の高い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、この発明のアンテナ装置は次のように構成する。

（１）コイル導体、及び前記コイル導体に近接して配置される磁性体コアを備えた磁性体アンテナと、
前記磁性体アンテナに近接配置され、第１の端辺と、前記第１の端辺と対向する第２の端辺とを有する導体板と、を備えたアンテナ装置において、
前記導体板は平面視で前記コイル導体よりも大きい外形を有し、
前記コイル導体は巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成され、
前記磁性体コアは、前記導体板の前記第１の端辺寄りの位置で、且つ前記第１の端辺から最も離れた位置にあるコイル導体部を覆わない位置に配置され、
前記コイル導体は、前記第２の端辺と前記第２の端辺寄りのコイル導体部との間の距離よりも、前記第１の端辺と前記第１の端辺寄りのコイル導体部との間の距離のほうが短くなる位置に配置されているものとする。

（２）例えば、前記磁性体コアは、前記導体板の前記第１の端辺に対向する第２の端辺から前記導体板の長さの約０．４倍以上離れた位置にある導体部を覆わない位置に配置される。
この構成によれば、相手側アンテナと磁気的結合強度が増し、通信性能が向上する。また、磁性体コア内での磁気エネルギーの損失が減少し、通信性能が向上する。さらに、磁性体コアのサイズを小さくすることができる。

（３）また、前記磁性体コアは、前記コイル導体のうち、前記導体板の第１・第２の端辺に直交する第３・第４の端辺の一方または両方に近接する部分に前記磁性体コアが覆わない構造とする。
この構成によれば、通信性能をほとんど劣化させることなく、インダクタンスを変えることができる。また、磁性体コアのサイズを小さくできる。

この発明によれば、相手側アンテナと磁気的結合する磁束の割合が増え、通信性能が向上する。また、磁性体コア内での磁気エネルギーの損失が減少し、通信性能が向上する。

特許文献１のアンテナを携帯電子機器に組み込んだ状態を示す三面図である。 図１に示したアンテナ装置の磁気エネルギーの損失について示す三面図である。 特許文献２の構成を矩形状の磁性体アンテナにして携帯電子機器に組み込んだ状態を示す二面図である。 特許文献３の構成を矩形状の磁性体アンテナにして携帯電子機器に組み込んだ状態を示す二面図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の三面図である。 図５に示した導体板４０に対する磁性体アンテナ５１の配置位置と通信相手側アンテナとの結合量との関係を示す図である。 図７（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナ装置に用いる磁性体アンテナ５２の上面図である。図７（Ｂ）はその下面図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置に用いる別の磁性体アンテナ５３の構成を示す図であり、図８（Ａ）は磁性体アンテナ５３の上面図、図８（Ｂ）は下面図である。 導体板４０の短辺方向の寸法Ｘに対する第３の端辺Ｓ３及び第４の端辺Ｓ４から磁性体アンテナ５３のコイル導体１２までの寸法ｘの関係を示す三面図である。 ｘ／Ｘに対する結合量の関係、及びｘ／Ｘに対する磁性体アンテナ５３のインダクタンスの関係を示す図である。 導体板４０の第１・第２の端辺に直交する第３・第４の端辺に近接するコイル導体部Ａ１の定義について説明するための図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置に用いる磁性体アンテナ５４の構成を示す図であり、図１２（Ａ）は磁性体アンテナ５４の上面図、図１２（Ｂ）は下面図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置に用いる別の磁性体アンテナ５５の構成を示す図であり、図１３（Ａ）は磁性体アンテナ５５の上面図、図１３（Ｂ）は下面図である。

《第１の実施形態》
図５は第１の実施形態に係るアンテナ装置の三面図である。このアンテナ装置は磁性体アンテナ５１と導体板４０とで構成されている。磁性体アンテナ５１はフレキシブル基板１０と磁性体コア２０とで構成されている。フレキシブル基板１０は基材１１に対して巻回中心部を導体開口部ＣＷとする渦巻き状のコイル導体１２が形成されて構成されている。

磁性体コア２０の寸法Ｌ（導体板４０の長手方向寸法）はフレキシブル基板１０より短い。磁性体コア２０は、導体板４０の第１の端辺Ｓ１寄りの位置で且つ第１の端辺Ｓ１から最も離れた位置にあるコイル導体部Ａ３を覆わない位置に配置されている。このような構成により、次の効果を奏する。

図２に示したアンテナ装置と異なり、磁束が近回りして通る磁性体コア２０内でエネルギー損失が少なくなり、アンテナ効率が向上する。
また、図３に示したアンテナ装置と異なり、磁束が抜けようとするコイル導体部Ａ１に磁性体コア２０が存在するため、相手側アンテナとの磁界結合が高まる。

さらに、導体板４０の第１の端辺Ｓ１寄りのコイル導体部Ａ２部分に磁性体コア２０が存在するので、図４に示した構造のアンテナ装置に比べて磁性体アンテナ５１の導体開口部ＣＷに磁束が抜けやすくなり、アンテナ特性が向上する。

図６は、図５に示した導体板４０に対する磁性体アンテナ５１の配置位置と通信相手側アンテナとの結合量との関係を示す図である。ここで寸法Ｙは図５に示した導体板４０の長手方向の寸法である。寸法ｙは導体板４０の第１の端辺Ｓ１に対向する第２の端辺Ｓ２からコイル導体部Ａ３部分までの距離である。

図６の横軸は前記寸法Ｙに対する寸法ｙの比、縦軸は通信相手側アンテナとの結合量である。図６において、折れ線Ａは、図５に示した磁性体コア２０がコイル導体部Ａ３にまで存在する構造（コイル導体１２の形成領域の全体に亘って磁性体コア２０が存在する構造）での特性、折れ線Ｂは、図５に示した構造のアンテナ装置の特性である。

前記寸法ｙが小さい範囲（ｙ／Ｙ＜０．４）では、コイル導体１２の形成領域の全体に亘って磁性体コア２０が存在する方が結合量は大きい。

しかし、ｙ／Ｙ≧０．４であると、図５に示したように、導体板４０の第２の端辺Ｓ２に近い側のコイル導体部Ａ３に磁性体コア２０が存在しない構造である方が強い結合が得られる。

したがって、磁性体アンテナ５１をいずれか一方の端辺寄りに配置する場合には、図５に示したとおり、導体板４０の第１の端辺Ｓ１寄りに配置し、その第１の端辺Ｓ１から最も離れた位置にあるコイル導体部Ａ３を磁性体コア２０が覆わないように構成する。

《第２の実施形態》
第１の実施形態では、導体板４０の長手方向について、フレキシブル基板１０に対する磁性体コア２０の配置位置をどのようにするかについて示したが、第２の実施形態では、前述と同様の現象を利用して、磁性体コア２０の、導体板４０の第１・第２の端辺に直交する第３の端辺または第４の端辺に近接する部分をどのような形状にするかについて示すものである。

図７（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナ装置に用いる磁性体アンテナ５２の上面図である。図７（Ｂ）はその下面図である。
磁性体アンテナ５２は、フレキシブル基板１０及び磁性体コア２０で構成されている。フレキシブル基板１０は矩形状の基材１１に対して巻回中心部を導体開口部ＣＷとする渦巻き状のコイル導体１２が形成されて構成されている。

図７では、磁性体アンテナ５２のみを示しているが、この磁性体アンテナ５２を、第１の実施形態で図５に示した磁性体アンテナ５１と置換する。すなわち、磁性体アンテナ５２は、図５に示したアンテナ装置と同様に、導体板４０の一つの端辺寄りに配置される。図７に示した例では、導体板４０の第１の端辺Ｓ１から最も離れた位置にあるコイル導体部Ａ３を覆わないだけでなく、導体板４０の第１・第２の端辺に直交する第３の端辺に近接するコイル導体部Ａ１にも磁性体コア２０が覆わないように磁性体コア２０を設けている。

図８は第２の実施形態に係るアンテナ装置に用いる別の磁性体アンテナ５３の構成を示す図であり、図８（Ａ）は磁性体アンテナ５３の上面図、図８（Ｂ）は下面図である。この磁性体アンテナ５３は、図５に示したアンテナ装置と同様に、導体板４０の一つの端辺寄りに配置される。

図８の磁性体アンテナ５３の磁性体コア２０は、導体板４０の第１の端辺Ｓ１から最も離れた位置にあるコイル導体部Ａ３を覆わないだけでなく、導体板４０の第１・第２の端辺に直交する第３の端辺及び第４の端辺に近接するコイル導体部Ａ１，Ａ１にも磁性体コア２０が覆わないように磁性体コア２０を設けている。

図９は、導体板４０の短辺方向の寸法Ｘに対する第３の端辺Ｓ３及び第４の端辺Ｓ４から磁性体アンテナ５３のコイル導体１２までの寸法ｘの関係を示す三面図である。
また、図１０は前記ｘ／Ｘに対する結合量の関係、及び前記ｘ／Ｘに対する磁性体アンテナ５３のインダクタンスの関係を示す図である。ここで折れ線Ａは、図９に示した磁性体アンテナ５３の磁性体コア２０がＡ１，Ａ１部分にまで覆っている場合の特性、Ｂは図８及び図９に示した磁性体アンテナ５３を用いた場合の特性である。

このようにｘ／Ｘの変化に対するインダクタンスの変化傾向は同等であるが、ｘ／Ｘの変化に対する結合量の変化は小さくなる。そのため、通信性能を殆ど劣化させることなくインダクタンスを容易に設定できるようになる。

なお、導体板４０の第１・第２の端辺に直交する第３・第４の端辺に近接するコイル導体部Ａ１は次のように定義することもできる。
図１１に示すように、導体板４０の各辺からコイル導体１２までの距離をｘ１，ｘ２，ｙ１，ｙ２とし、また対向する辺の長さをＸ，Ｙとしたとき、ｘ１／Ｘ、ｘ２／Ｘ、ｙ１／Ｙ，ｙ２／Ｙの値で導体板４０の端辺からの「遠さ」を定義すれば、２番目に遠い導体部と３番目に遠い導体部が前記コイル導体部Ａ１，Ａ１である。
この２番目と３番目に遠い導体部の一方または両方を磁性体コアで覆わないように磁性体コアを設ければよい。

《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態に係るアンテナ装置に用いる磁性体アンテナ５４の構成を示す図であり、図１２（Ａ）は磁性体アンテナ５４の上面図、図１２（Ｂ）は下面図である。この磁性体アンテナ５４は、図５に示したアンテナ装置と同様に、導体板４０の一つの端辺寄りに配置される。

第２の実施形態で図７に示した磁性体アンテナ５２と異なるのは、磁性体コア２０の形状である。図１２に示す磁性体アンテナ５４の磁性体コア２０は、導体板４０の第１の端辺Ｓ１及び第２の端辺Ｓ２に直交する端辺に近接するコイル導体部Ａ１の一部に磁性体コア２０が覆わないように磁性体コア２０を設けている。

図１３は第３の実施形態に係るアンテナ装置に用いる別の磁性体アンテナ５５の構成を示す図であり、図１３（Ａ）は磁性体アンテナ５５の上面図、図１３（Ｂ）は下面図である。この磁性体アンテナ５５は、図５に示したアンテナ装置と同様に、導体板４０の一つの端辺寄りに配置される。

第２の実施形態で図７に示した磁性体アンテナ５２と異なるのは、磁性体コア２０の形状である。図１３に示す磁性体アンテナ５５の磁性体コア２０は、導体板４０の第１の端辺Ｓ１及び第２の端辺Ｓ２に直交する端辺に近接する二つのコイル導体部Ａ１，Ａ１の一部に磁性体コア２０が覆わないように磁性体コア２０を設けている。

このように磁性体コア２０の、導体板４０の第１・第２の端辺に直交する第３の端辺または第４の端辺に近接する部分の全部または一部を磁性体コアで覆わないように構成することにより、第２の実施形態の場合と同様に、通信性能を殆ど劣化させることなくインダクタンスを容易に設定できるようになる。

Ａ１，Ａ２，Ａ３…コイル導体部
ＣＷ…導体開口部
ＭＦａ…磁束
ＭＦｄ…磁束
Ｓ１…第１の端辺
Ｓ２…第２の端辺
Ｓ３…第３の端辺
Ｓ４…第４の端辺
１０…フレキシブル基板
１１…基材
１２…コイル導体
２０…磁性体コア
３１〜３３…従来技術による磁性体アンテナ
４０…導体板
５１〜５５…磁性体アンテナ

Claims (3)

1. コイル導体、及び前記コイル導体に近接して配置される磁性体コアを備えた磁性体アンテナと、
   前記磁性体アンテナに近接配置され、第１の端辺と、前記第１の端辺と対向する第２の端辺とを有する導体板と、を備えたアンテナ装置において、
   前記導体板は平面視で前記コイル導体よりも大きい外形を有し、
   前記コイル導体は巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成され、
   前記磁性体コアは、前記導体板の前記第１の端辺寄りの位置で、且つ前記第１の端辺から最も離れた位置にあるコイル導体部を覆わない位置に配置され、
   前記コイル導体は、前記第２の端辺と前記第２の端辺寄りのコイル導体部との間の距離よりも、前記第１の端辺と前記第１の端辺寄りのコイル導体部との間の距離のほうが短くなる位置に配置されている、アンテナ装置。
2. 前記磁性体コアは、前記導体板の前記第１の端辺に対向する第２の端辺から前記導体板の長さの約０．４倍以上離れた位置にある導体部を覆わない位置に配置された、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記磁性体コアは、前記コイル導体のうち、前記導体板の第１・第２の端辺に直交する第３・第４の端辺の一方または両方に近接する部分に前記磁性体コアが覆わない、請求項１または２に記載のアンテナ装置。

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