JP5686232B1 - アンテナ装置および通信端末装置 - Google Patents

Abstract

空間を介して対向する位置に配置されている２つの導体面（１１，１２）と、２つの導体面（１１，１２）を１箇所で直流的に接続する第１の接続導体（２１）と、第１の接続導体（２１）に対して近接配置されたアンテナコイル（３０）と、を備える。アンテナコイル（３０）は、電磁誘導により第１の接続導体（２１）に誘導電流が流れる位置に配置されている。２つの導体面（１１，１２）の周縁に互いに逆方向の電流が流れることにより、２つの導体面（１１，１２）が対向する空間から磁界が放射される。これにより、金属板にスリットや開口を設けることなく、金属板等の導体面を放射素子として利用できるようにして、機械的強度の低下の問題、意匠上の制約の問題、電界遮蔽効果の低下の問題を回避する。

Description

本発明はＨＦ帯やＵＨＦ帯の通信システムに用いられるアンテナ装置および通信端末装置に関する。

携帯電話端末等の電子機器に備えられる、近距離無線通信（NFC：Near Field Communication）などのＨＦ帯の通信を行う装置において、一般的に、ＲＦＩＣや整合素子は回路基板に実装され、アンテナは電子機器の筺体の内側に貼り付けられ、そしてＲＦＩＣとアンテナとはスプリングピンなどを介して電気的に接続される。

一方、最近の携帯電話端末などの無線通信端末は薄型化が進められており、薄型化による強度不足を補うために、筐体にマグネシウムメッキ加工を施すなど「金属化」する場合が増えてきている。

しかし端末筐体を「金属化」した場合、端末に内蔵するアンテナ周囲の電磁界が金属によって遮蔽されるため、相手側アンテナとの通信ができなくなる、という問題が生じる。

そこで、特許文献１に示されているように、アンテナコイルよりも広い面積の金属板をアンテナコイルに近接（磁界結合）させて、金属板を放射体として利用する構造のアンテナ装置が提案されている。

特許第４９９３０４５号公報

特許文献１に示されているアンテナ構造を採ることによって、アンテナが金属で覆われているにもかかわらず相手側アンテナとの通信が可能となる。ところが、金属板にスリットや開口部を設けることに伴い、機械的強度の低下を考慮する必要があり、製造上の工数が増加する。また、特に金属筐体にスリットや開口を設ける場合、筐体の意匠に制約が生じる。さらには、スリットや開口部付近を回路のグランドに接続することができないので、金属板が部分的に電位変動することもあり、そのことで金属板による電界遮蔽効果が低下するという問題が生じたり、第１導体面および第２導体面が他の高周波回路と干渉するといった懸念も生じたりする。

本発明の目的は、金属板にスリットや開口を設けることなく、金属板等の導体面を放射素子として利用できるようにすることにより、機械的強度の低下の問題、意匠上の制約の問題、電界遮蔽効果の低下の問題を回避し、さらには必要に応じて他の高周波回路との干渉の問題等を抑制できるようにしたアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を提供することにある。

（１）本発明のアンテナ装置は、空間を介して対向する位置に配置されている２つの導体面と、２つの導体面を１箇所で直流的に接続する第１の接続導体と、この第１の接続導体に対して近接配置されたアンテナコイルと、を備え、アンテナコイルは、電磁誘導により前記第１の接続導体に誘導電流が流れる位置に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、アンテナコイルが近接配置された接続導体に、アンテナコイルの電磁誘導による誘導電流が流れて、２つの導体面に互いに逆方向の電流が流れる。そのため、２つの導体面が対向する空間から磁界を放射するアンテナとして作用する。

（２）前記アンテナコイルは前記第１の接続導体よりも２つの導体面の中央寄りの位置に配置されていることが好ましい。この構成により、アンテナコイルによる磁界と、２つの導体面が対向する空間から放射される磁界との相殺が生じない。

（３）前記導体面は、電子機器の筐体の導体部を含むことが好ましい。この構成により、筐体を放射素子の一部として兼用できる。

（４）前記導体面は、回路基板に形成されたグランド電極を含むことが好ましい。この構成により、回路基板のグランド電極を放射素子の一部として兼用できる。

（５）前記導体面は、回路基板に形成されたグランド電極と電子機器の筐体の導体部とを含み、第１の接続導体は、グランド電極と筐体の導体部とを接続するグランド接続ピンであることが好ましい。この構成により、グランド接続ピンを第１の接続導体として兼用できる。

（６）前記２つの導体面に対してキャパシタを介して接続する第２の接続導体をさらに備え、通信信号のキャリア周波数はＨＦ帯の周波数であり、前記キャパシタはＵＨＦ帯以上の周波数でロー・インピーダンスとなる素子であることが好ましい。このことにより、ＵＨＦ帯のアンテナが同じ筐体内に配置されているときに、そのＵＨＦ帯のアンテナによる基板電流がアンテナコイルの影響を受け難くなって、ＵＨＦ帯アンテナは所定のアンテナ特性が得られる。

（７）本発明の通信端末装置は、
アンテナ装置と、このアンテナ装置に接続された給電回路とを備え、
前記アンテナ装置は、
空間を介して対向する位置に配置されている２つの導体面と、前記２つの導体面を１箇所で直流的に接続する第１の接続導体と、前記第１の接続導体に対して近接配置されたアンテナコイルと、を備え、前記アンテナコイルは、電磁誘導により前記第１の接続導体に誘導電流が流れる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、導体面にスリットや開口を設けることなく、２つの導体面を放射素子として利用できるので、機械的強度の低下の問題、意匠上の制約の問題、電界遮蔽効果の低下の問題を回避できる。

図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の斜視図、図１（Ｂ）はアンテナ装置１０１に設けられているアンテナコイル３０の斜視図である。 図２はアンテナ装置１０１の正面図である。 図３は、第１導体面１１、第２導体面１２に誘導される電流の例を示す展開図である。 図４は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の斜視図である。 図５は第３の実施形態に係る通信端末装置の筐体内部の構造を示す平面図である。 図６は第１の接続導体２１および第２の接続導体２２を通る位置での断面図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の斜視図、図１（Ｂ）はアンテナ装置１０１に設けられているアンテナコイル３０の斜視図である。図２はアンテナ装置１０１の正面図である。このアンテナ装置１０１は、例えば１３．５６ＭＨｚ等のＨＦ帯で用い、通信相手のアンテナと近接型または近傍型で電磁界結合（主に磁界結合）するアンテナである。

アンテナ装置１０１は、互いに対向する第１導体面１１および第２導体面１２を備えている。第１導体面１１と第２導体面１２とは、第１の接続導体２１で接続されている。（後の実施形態で示す第２の接続導体と区別するために、ここでは予め「第１の」接続導体という。）第１導体面１１と第２導体面１２との間で、且つ第１の接続導体２１に近接する位置にアンテナコイル３０が配置されている。第１の接続導体２１およびアンテナコイル３０を、何れかの視点から２つの導体面１１，１２の面内方向を見たとき、アンテナコイル３０は第１の接続導体２１よりも導体面１１，１２の中央寄りの位置に配置されている。すなわち、概略的に、第１の接続導体２１の位置よりも内側にアンテナコイル３０が配置されている。

図１（Ｂ）に表れているように、アンテナコイル３０は、磁性体コア３１とコイル導体３２とで構成されていて、コイル導体３２は磁性体コア３１の周囲を巻回するようなパターンに形成されている。例えば、磁性体フェライトのフィラーを分散させた複数の樹脂シートにコイル導体パターンを形成し、それらを積層し熱圧着することで、矩形ヘリカル状のコイル導体を積層体内に内蔵させたチップ型アンテナである。このアンテナコイル３０は、磁性フェライトセラミックを素体とするチップ型アンテナであってもよい。

アンテナコイル３０が備えるコイル導体３２のうち、第１の接続導体２１に近接する部分が第１の接続導体２１と平行関係となるように、このアンテナコイル３０は第１の接続導体２１の近傍に配置されている。

第１導体面１１は例えば回路基板のグランド電極パターンである。第２導体面１２は例えば筐体の金属部分である。第１の接続導体２１はスプリングピン端子であり、第１導体面１１と第２導体面１２とを直流的に接続する。このピン端子は、本来、筐体の金属部分と回路基板のグランド電極とを同電位にするグランド接続ピンであるが、本実施形態では、後に示すように、第１導体面１１および第２導体面１２に電流を誘導させるための結合部として兼用する。

図２に示すように、アンテナコイル３０のコイル導体３２と第１の接続導体２１との近接により、第１の接続導体２１とこれに近接するコイル導体３２の部分は誘導結合する。すなわち、アンテナコイル３０のコイル導体３２に流れる電流の方向とは逆方向に第１の接続導体２１に誘導電流が流れる。

図３は、第１導体面１１、第２導体面１２に誘導される電流の例を示す展開図である。この図は、第１の接続導体２１を介して接続された状態のまま、２つの導体面１１，１２を拡げて示した図である。アンテナコイル３０のコイル導体３２の誘導によって第１の接続導体２１に誘導電流ｉｃが流れると、第１導体面１１および第２導体面１２には、それらの周縁部に、図中に矢印で示すように電流が流れる。

図３に示すように、２つの導体面１１，１２の対向する部分に流れる電流は互いに逆方向であるので、この２つの導体面１１，１２が対向する空間から磁界が放射する。図１の破線矢印は、この放射される磁界の方向を磁力線で表している。

なお、上述のとおり、第１の接続導体２１の位置よりも内側にアンテナコイル３０が配置されているので、２つの導体面１１，１２が対向する空間から放射される磁界とアンテナコイル３０から放射される磁界とは同極性となる。すなわち相殺されることはない。

《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の斜視図である。このアンテナ装置１０２は第１の接続導体２１および複数の第２の接続導体２２，２３，２４を備えている。これら接続導体２１〜２４は、第１導体面１１および第２導体面１２の縁に形成（配置）されている。第１の接続導体２１はランド１１Ｌと第２導体面１２との間を導通させる。ランド１１Ｌと第１導体面１１との間にはチップインダクタ６が実装されている。すなわち、第１の接続導体２１部分において、第１導体面１１と第２導体面１２はチップインダクタ６を介して接続されている。

第２の接続導体２２はランド１１Ｌと第２導体面１２との間を導通させる。ランド１１Ｌと第１導体面１１との間にはチップキャパシタ５が実装されている。すなわち、第２の接続導体２２部分においては、第１導体面１１と第２導体面１２はチップキャパシタ５を介して接続されている。第２の接続導体２３，２４部分についても同様に、第１導体面１１と第２導体面１２はチップキャパシタ５を介してそれぞれ接続されている。

上記チップキャパシタ５は、通信信号のキャリア周波数の周波数帯（ＨＦ帯）ではハイ・インピーダンスであるが、ＵＨＦ帯以上の周波数ではロー・インピーダンスとなる素子である。そのため、ＨＦ帯において、接続導体２２，２３，２４部分は直流的には開放状態であって、第１の実施形態で示したアンテナ装置１０１と同様に動作する。ＵＨＦ帯以上の周波数においては、接続導体２２，２３，２４部分は高周波的に接続された状態となって、これらの箇所で確実にグランド接続がなされる。そのため、２つの導体面１１，１２の全体が安定したグランド電位となる。

また、第１の接続導体２１部分においては、第１導体面１１と第２導体面１２とがチップインダクタ６を介して接続されているので、ＨＦ帯においては、この第１の接続導体２１部で高周波的に直接接続された状態となり、ＵＨＦ帯においては電流が抑制される。そのため、ＵＨＦ帯のアンテナによる基板電流は第１の接続導体２１を通らず、ＵＨＦ帯のアンテナによる基板電流はアンテナコイル３０のフェライトにほとんど影響を及ぼさない。そのため、ＵＨＦ帯のアンテナの特性を維持できる。

《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係る通信端末装置の筐体内部の構造を示す平面図である。上部筐体９１の内部には回路基板６１，６２、バッテリーパック９０、カメラモジュール７６等が収められている。回路基板６１には通信回路を備えたＲＦＩＣ６０、共振用キャパシタＣ、アンテナコイル３０等が実装されている。この回路基板６１にはメインのＵＨＦ帯アンテナ８２等も設けられている。また、回路基板６２にはサブのＵＨＦ帯アンテナ８３等が設けられている。回路基板６１上の回路と回路基板６２上の回路とはケーブルを介して接続されている。ＵＨＦ帯アンテナ８２，８３はチップアンテナの搭載や線路パターンの形成等によって設けられている。

回路基板６１には、ほぼ全域にグランド電極が形成されており、この形成されているグランド電極は第１導体面として作用する。下部筐体９２は樹脂製であるが、その内面に金属膜による第２導体面１２が形成されている。この金属膜はアルミ箔や銅箔を下部筐体９２の内側に貼り付けたものであってもよいし、ＬＤＳ技術等によって下部筐体９２の内側に描画したものであってもよい。また、この金属膜は、回路基板６１等に実装された各種部品のシールドを兼ねることを目的として、回路基板６１の主面の半分以上のエリアを占めていることが好ましい。本例では、メインのアンテナ８２、サブのアンテナ８３が占める領域以外はほぼ全て金属膜でシールドしてある。下部筐体９２には開口１２Ａが形成されている。この部分にカメラモジュール７６のレンズが光学的に露出するように配置される。

第１の接続導体２１は回路基板６１のグランド電極に実装されている。接続導体２２はランド１１Ｌに実装されている。ランド１１Ｌとグランド電極との間にはチップキャパシタ５が実装されている。

図５には、第１導体面（回路基板６１に形成されているグランド電極）１１、および第２導体面（筐体の金属部）１２に流れる電流を太矢印で表している。

図６は上記第１の接続導体２１および第２の接続導体２２を通る位置での断面図である。第１の実施形態で図１（Ａ）に示したアンテナ装置と同様に、第１導体面（回路基板６１に形成されているグランド電極）１１、第２導体面（筐体の金属部）１２に電流が流れる。このようにして、２つの導体面１１，１２およびその対向する空間が放射素子として作用する。

なお、図５に表れているように、第１導体面（グランド電極）１１および第２導体面（筐体の金属部）１２は全面に亘って対向している必要はなく、部分的に対向していてもよい。

以上の各実施形態は例示であって、本発明はこれらの実施形態に限るものではない。アンテナコイル３０とＲＦＩＣ６０とは一体化されてモジュール化されていてもよい。この構成により、ＲＦＩＣと給電コイルとの電気的な導通を回路基板などの基板の配線で行う必要がなく、また、実装スペースの自由度が高まる。

また、本発明に係る第１導体面と第２導体面は、その一方が回路基板に形成されたグランド電極であることに限らない。また、一方が筐体の金属部であることに限らない。例えば、シールドケース、シールド板、電池パック、ＬＣＤパネル等を第１導体面または第２導体面として利用してもよい。

また、図１（Ａ）等には、平面状の第１導体面１１および第２導体面１２を示したが、第２導体面１２の形状はこれに限らない。第２導体面は回路基板を収める側の筐体の金属部であってもよい。さらに、筐体の金属部は金属板の成型体であってもよい。

Ｃ…キャパシタ
５…チップキャパシタ
６…チップインダクタ
１１…第１導体面
１１Ｌ…ランド
１２…第２導体面
１２Ａ…開口
２１…第１の接続導体
２２，２３，２４…第２の接続導体
３０…アンテナコイル
３１…磁性体コア
３２…コイル導体
６０…ＲＦＩＣ
６１，６２…回路基板
７６…カメラモジュール
８２，８３…ＵＨＦ帯アンテナ
９０…バッテリーパック
９１…上部筐体
９２…下部筐体
１０１．１０２…アンテナ装置

Claims (7)

1. 空間を介して対向する位置に配置されている２つの導体面と、
   前記２つの導体面を１箇所で直流的に接続する第１の接続導体と、
   前記第１の接続導体に対して近接配置されたアンテナコイルと、を備え、
   前記アンテナコイルは、電磁誘導により前記第１の接続導体に誘導電流が流れる位置に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナコイルは前記第１の接続導体よりも前記２つの導体面の中央寄りの位置に配置されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記導体面は、電子機器の筐体の導体部を含む、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記導体面は、回路基板に形成されたグランド電極を含む、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記導体面は、回路基板に形成されたグランド電極と電子機器の筐体の導体部とを含み、前記第１の接続導体は、前記グランド電極と前記筐体の導体部とを接続するグランド接続ピンである、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
6. 前記２つの導体面に対してキャパシタを介して接続する第２の接続導体をさらに備え、
   通信信号のキャリア周波数はＨＦ帯の周波数であり、前記キャパシタはＵＨＦ帯以上の周波数でＨＦ帯の周波数よりもロー・インピーダンスとなる素子である、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. アンテナ装置と、このアンテナ装置に接続された給電回路とを備えた通信端末装置において、
   前記アンテナ装置は、
   空間を介して対向する位置に配置されている２つの導体面と、
   前記２つの導体面を１箇所で直流的に接続する第１の接続導体と、
   前記第１の接続導体に対して近接配置されたアンテナコイルと、を備え、
   前記アンテナコイルは、電磁誘導により前記第１の接続導体に誘導電流が流れる位置に配置されていることを特徴とする、通信端末装置。

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