JP5846337B2 - アンテナ装置及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性体層にアンテナコイルが形成されてなるアンテナ装置、及びそれを備えた通信装置に関する。

携帯電話機等の電子機器に搭載されている通信規格、例えばＮＦＣ（Near FieldCommunication）は、リーダライタ装置に電子機器を近接させ、コイル同士を磁界結合させることによってリーダライタ装置と電子機器とを通信させる無線通信技術である。近年、ＮＦＣ等による通信速度は高速化が要求されていることから、ＮＦＣアンテナは広帯域化が必要とされている。そこで、特許文献１には、給電コイルと磁界結合する共振コイルを有し、共振コイルにＱ値を調整する抵抗を負荷して、広帯域を図るアンテナコイルが開示されている。

特開２００１−１８５９３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアンテナコイルと通信相手の装置とを近づけた場合、通信相手の装置のコイル（以下、相手側コイルと言う）は、アンテナコイルの共振コイルだけでなく、給電コイルとも磁界結合することがある。この場合、給電コイル→共振コイル→相手側コイルの通信経路と、給電コイル→相手側コイルの通信経路との二つの通信経路が形成される。そして、これら二つの通信経路を通る信号が逆位相である場合、信号が打ち消され、相手側コイルは信号を受信できないといった問題がある。また、この問題は、アンテナコイルと相手側コイルとの送受が逆の場合であっても同様である。

そこで、本発明の目的は、相手側コイルと不要な通信経路を形成せず、通信相手と確実に通信できるアンテナ装置及び通信装置を提供することにある。

本発明に係るアンテナ装置は、磁性体層と、巻回軸を前記磁性体層の積層方向に一致させて前記磁性体層に形成された給電コイルと、巻回軸を前記磁性体層の積層方向に一致させて前記磁性体層に形成され、かつ、前記給電コイルと磁界結合する第１アンテナコイル及び第２アンテナコイルと、を備え、前記給電コイルは、前記積層方向から視て前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルよりも内側に形成され、前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルの少なくとも一部は、前記積層方向における前記給電コイルの外側に形成されていることを特徴とする。

この構成では、相手側コイルは、磁性体層の積層方向における外側にある第１アンテナコイル又は第２アンテナコイルと磁界結合し、磁性体層の積層方向における内側にある給電コイルとは殆ど結合しない。このため、アンテナ装置が通信相手と通信する際、通信経路が複数形成されることを防止できる。その結果、異なる通信経路に逆位相の信号が流れることで、信号が打ち消され、通信ができないといった問題を回避できる。

前記給電コイル、前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルは、前記磁性体層の複数層に亘って形成されていることを特徴とする。

この構成では、第１アンテナコイル及び第２アンテナコイルのコイル径を一様にできる。また、磁性体層を増やせばコイル巻回数を増やすこともできる。

前記給電コイルの一部は、前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルの少なくとも一方と同一層に形成されていることを特徴とする。

この構成では、磁性体層の層数を少なくでき、アンテナ装置の低背化が可能となる。

本発明によれば、アンテナ装置と通信相手との間に複数の通信経路が構成されず、それら異なる通信経路に逆位相の信号が流れることで信号が打ち消されて、通信ができなくなるといった問題を回避できる。

実施形態１に係るアンテナ装置の分解斜視図 図１に示すアンテナ装置の配線パターンの接続を示す図 図１のIII−III線における断面図 実施形態１に係るアンテナ装置の回路図 アンテナ装置の変形例を示す図 アンテナ装置の変形例を示す図 アンテナ装置の変形例を示す図 図１に示す構成と異なるアンテナコイルの別の例の分解斜視図 図８に示すアンテナコイルの回路図 二つのアンテナコイルの配線パターン交互に形成されたアンテナ装置の配線パターンの接続例を示す図 給電コイルと二つのアンテナコイルの配線パターン交互に形成されたアンテナ装置の配線パターンの接続例を示す図 三つのアンテナコイルを有するアンテナ装置の分解斜視図 アンテナ装置を備えた無線通信装置の筐体内部の構造を示す図 アンテナ装置を備えた無線通信装置の筐体内部の構造を示す図

(実施形態１)
図１は実施形態１に係るアンテナ装置１の分解斜視図である。図２は、図１に示すアンテナ装置１の配線パターンの接続を示す図である。なお、図２では、図１に示す磁性体層１０１〜１１２を省略している。図３は、図１のIII−III線における断面図である。図４は、実施形態１に係るアンテナ装置１の回路図である。

本実施形態に係るアンテナ装置１は、給電コイル１０と、アンテナコイル２０，３０とを備えている。アンテナ装置１は、通信相手との距離が近くなると、通信相手のコイルとアンテナコイル２０又はアンテナコイル３０とが磁界結合することで、アンテナ装置１と通信相手との間で通信が行われる。

給電コイル１０及びアンテナコイル２０，３０は、コイル巻回軸を積層方向に一致させて磁性体層１０１〜１１２に形成されている。なお、機械強度を保つために最外層の磁性体層１１２を非磁性体層とし、磁性体層１０１の外側に図示しない非磁性体層を設けてもよい。また磁性体層１０１〜１１２の中間層にも同様に非磁性体層を設けてもよい。給電コイル１０は、磁性体層１０１〜１１２の積層方向におけるほぼ中央部である磁性体層１０５〜１０８に形成されている。アンテナコイル２０，３０は、積層方向において、磁性体層１０５〜１０８の外側である磁性体層１０１〜１０４，１０９〜１１２に形成されている。すなわち、磁性体層１０１〜１１２の積層方向において、給電コイル１０は、アンテナコイル２０，３０に挟まれている。なお、本実施形態では、給電コイル１０及びアンテナコイル２０，３０は、コイル巻回軸が同一直線上となるよう形成されている。

給電コイル１０は、磁性体層１０５〜１０８の矩形状の表面に形成された配線パターン１１〜１４を備えている。配線パターン１１〜１４は、ビアホール（図１では不図示）で上下の層の配線パターンと接続し、配線パターン１１〜１４とビアホールとでコイルを形成している。また、図２に示すように、配線パターン１１，１４は、コンデンサＣ１を介して接続している。このコンデンサＣ１は、配線パターン１１〜１４が形成するコイルと共振回路を構成している。この共振回路に対し信号を送受するＩＣ１０Ａが接続されている。ＩＣ１０Ａは、例えばアンテナ装置１が送信側となる場合には、共振回路に信号を送信し、アンテナ装置１が受信側となる場合には、共振回路から信号を受信する。

アンテナコイル２０，３０は、磁性体層１０１〜１０４，１０９〜１１２の矩形状の表面に形成された配線パターン２１〜２４，３１〜３４を備えている。配線パターン２１〜２４，３１〜３４は、ビアホールで上下の層の配線パターンと接続し、配線パターン２１〜２４，３１〜３４とビアホールとでコイルを形成している。また、図２に示すように、配線パターン２１，２４は、コンデンサＣ２を介して接続し、配線パターン３１，３４は、コンデンサＣ３を介して接続している。図４に示すように、このコンデンサＣ２は配線パターン２１〜２４が形成するコイルと共に共振回路を構成し、コンデンサＣ３は配線パターン３１〜３４が形成するコイルと共に共振回路を構成している。

図１〜図３では、配線パターン１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４が、それぞれ巻回方向が同じとなるよう形成されているが、異なる給電コイル又はアンテナコイル間で巻線方向が異なっていてもよい。巻回方向が異なっている場合であっても、磁界結合の強さにはほとんど影響しない。給電コイル１０と、アンテナコイル２０，３０とは、磁性体層１０１〜１１２の積層方向をコイル巻回軸方向としているため給電コイル１０及びアンテナコイル２０、並びに、給電コイル１０及びアンテナコイル３０はそれぞれ磁界結合する。

また、図３に示すように、給電コイル１０の配線パターン１１〜１４は、アンテナコイル２０，３０の配線パターン２１〜２４，３１〜３４よりも小さいコイル径で形成されている。より詳しくは、アンテナコイル２０，３０の配線パターン２１〜２４，３１〜３４それぞれはコイル径が同じであり、矩形状の磁性体層１０１〜１０４，１０９〜１１２の表面端部に沿って形成されている。給電コイル１０の配線パターン１１〜１４は、積層方向において、配線パターン２１〜２４，３１〜３４と重ならないように形成されている。換言すれば、磁性体層の積層方向から視た場合、配線パターン１１〜１４は、配線パターン２１〜２４，３１〜３４より内側に形成されている。その結果、アンテナコイル２０，３０では、磁束のループの全てが磁性体内に閉じ込められるということが無いために磁界放射を大きくすることができる。なお、アンテナコイル２０，３０に閉ループが形成されないため、磁界放射を大きくすることが出来る。なお、アンテナコイル２０，３０のうちアンテナ装置１の外側に形成されている配線パターン２１，３４を大きく、磁性体の内層に向かうに従って小さくするものでもよい。ただし、アンテナ装置１を巻回軸方向から平面視した時に、給電コイル１０の外形はアンテナコイル２０，３０の外形の内側となるように配置する。

相手側コイル（通信相手のコイル）をアンテナ装置１に近づけた場合、相手側コイルは、磁性体層の積層方向の外側にあるアンテナコイル２０，３０の一方と磁界結合する。これにより、アンテナ装置１から通信相手への通信経路として、給電コイル→共振コイル→相手側コイルの通信経路が形成される。このとき、給電コイル１０は、アンテナコイル２０，３０よりコイル径が小さく、かつ、磁性体層の最外層から距離があるため、相手側コイルは給電コイル１０とは殆ど磁界結合しない。したがって、アンテナ装置１から通信相手への通信経路として、給電コイル→相手側コイルの通信経路は形成されない。

アンテナ装置１と通信相手との間に二つの通信経路が形成された場合、各通信経路を通る信号が逆位相である時、互いに信号が打ち消し合い、通信相手は、アンテナ装置１からの信号を受信できない。本実施形態では、上述のように、アンテナ装置１と通信相手との間に複数の通信経路が形成されないため、通信相手は、アンテナ装置１から信号を確実に受信でき、アンテナ装置１と通信相手との間で確実に通信が行われる。

以下に、実施形態１に係るアンテナ装置１の別の例について説明する。

図５、図６及び図７は、アンテナ装置の変形例を示す図である。図５、図６及び図７は、図１に示すIII−III線における断面図に相当する。

図５に示すアンテナ装置１Ａは、給電コイル１０のコイル巻回軸が、アンテナコイル２０，３０のコイル巻回軸と一致しない構成である。この場合、アンテナ装置１Ａのトータル厚み又はコイル径を変えることなく給電コイル１０とアンテナコイル２０，３０との磁界結合の大きさを変えることが出来る。

図６に示すアンテナ装置１Ｂは、アンテナコイル２０の配線パターン２４が形成される磁性体層１０４に、給電コイル１０の配線パターン１１が形成され、かつ、アンテナコイル３０の配線パターン３１が形成される磁性体層１０６に、給電コイル１０の配線パターン１４が形成された構成である。すなわち、給電コイル１０とアンテナコイル２０とで一つ磁性体層を共有し、また、給電コイル１０とアンテナコイル２０とで一つ磁性体層を共有している。この場合、アンテナ装置１Ｂは、磁性体層の層数を少なくでき、低背化が可能となる。

図７に示すアンテナ装置１Ｃは、給電コイル１０及びアンテナコイル２０，３０それぞれの配線パターンの径が異なっている。例えばアンテナコイル２０の場合、配線パターン２１，２２でコイル径が異なっている。この例では、上下に近い層の配線パターンが対向していないため、配線パターン間に形成される容量を低減できる。

図５〜図7に示す何れの構成であっても、磁性体層の積層方向から視て、給電コイル１０がアンテナコイル２０，３０の内側に位置し、かつ、積層方向において、給電コイル１０の外側にアンテナコイル２０，３０の一部が形成されていればよい。

図８は、図１に示す構成と異なるアンテナコイル２０（又は３０）の別の例の分解斜視図である。図９は、図８に示すアンテナコイル２０Ａ，２０Ｂの回路図である。

図１に示すアンテナコイル２０は、複数の磁性体層に亘って配線パターンが形成され、最外層の配線パターンがコンデンサを介して接続されている。これに対し、図８に示すアンテナコイル２０Ａ，２０Ｂは、磁性体層１２０，１２１に、巻回方向が同じであって、かつ、配線パターンが対向するように配線パターン４１，４２が巻回されている。この場合、対向する配線パターン４１，４２の間に、図９に示すように、コンデンサＣ４１，Ｃ４２が形成される。これにより、共振回路が構成される。この場合、コンデンサの実部品を必要とせず、部品点数を少なくできる。また、図１に示すアンテナコイル２０と対比して、アンテナコイル２０Ａ，２０Ｂを形成するための磁性体層の層数を少なくできるため、アンテナ装置の低背化が可能となる。

図１０は、二つのアンテナコイル２０，３０の配線パターン交互に形成されたアンテナ装置１Ｄの配線パターンの接続例を示す図である。図１に示すアンテナコイル２０，３０の各配線パターンは、互いに独立させて巻回されている。これに対し、図１０に示すアンテナ装置１Ｄは、アンテナコイル２０の配線パターン２１，２２と、アンテナコイル３０の配線パターン３１，３２とが交互に形成され、また、アンテナコイル２０の配線パターン２３，２４と、アンテナコイル３０の配線パターン３３，３４とが交互に形成されている。この場合、アンテナコイル２０，３０同士は層間距離が小さくなるため、アンテナコイル２０とアンテナコイル３０との結合が強くなる。これにより給電コイルとアンテナコイル２０，３０とで複数の共振周波数を持つ構造が形成されるため、広帯域な周波数で使用できる。

図１１は、給電コイル１０と二つのアンテナコイル２０，３０の配線パターン交互に形成されたアンテナ装置１Ｅの配線パターンの接続例を示す図である。このアンテナ装置１Ｅは、図１０に示すアンテナコイル２０，３０の構成に加え、給電コイル１０の配線パターン１１が、配線パターン２２，３２の間に形成され、配線パターン１４が配線パターン２３，３３の間に形成されている。この場合、アンテナコイル２０，３０と給電コイル１０との結合は、図１０のアンテナ装置１Ｄに比べてさらに強くなる。

図１２は、三つのアンテナコイルを有するアンテナ装置１Ｆの分解斜視図である。この例のアンテナ装置１Ｆは、図１に示すアンテナ装置１の構成に加え、磁性体層１０１にさらに積層された磁性体層１１３〜１１６を備えている。この磁性体層１１３〜１１６には配線パターン５１〜５４が形成されて、アンテナコイル５０を形成している。図示しないが、アンテナコイル２０，３０と同様に、配線パターン５１，５４は、共振用のコンデンサを介して接続されている。

図１２に示すように、アンテナコイルを積み重ねることで、指向性をその積み重ねた方向へ向けることができ、また、近接する複数の周波数で共振を得ることができるため、アンテナ装置１Ｆは広帯域化を図ることができる。

（実施形態２）
以下に、本発明に係るアンテナ装置の実施形態２について説明する。本実施形態では、実施形態１に係るアンテナ装置１を備えた通信装置について説明する。本実施形態に係る通信装置は、例えば携帯電話機、ＰＤＡ、携帯音楽プレーヤーなどであって、ＩＣタグから情報を読み取るリーダライタ装置として機能する。

図１３及び図１４は、アンテナ装置を備えた無線通信装置の筐体内部の構造を示す図であり、上部筐体９１と下部筐体９２とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。

図１３の例では、筐体９１の内部には回路基板７１，８１、バッテリーパック８３等が収められている。回路基板７１にはアンテナ装置１等が実装されている。回路基板８１にはＵＨＦ帯アンテナ８２等が搭載されている。回路基板７１と回路基板８１とはケーブル８４を介して接続されている。

図１４の例では、回路基板７１にはＵＨＦ帯アンテナ７２、カメラモジュール７６等も搭載されている。また、下部筐体９２には、ブースターコイルアンテナ８５が設けられている。このブースターコイルアンテナ８５は、アンテナ装置１のコイルアンテナ２０，３０の両方と磁界結合する。そして、ブースターコイルアンテナ８５が相手側コイルと磁界結合することで、通信装置と通信相手との間で通信が行われる。

このように構成された通信装置は、実施形態１と同様に、通信相手となるＩＣタグとの間で、不要な通信経路が形成されることなく、確実な通信が可能となる。

なお、実施形態２では、実施形態１に係るアンテナ装置１を備えた通信装置として説明したが、実施形態１に係るアンテナ装置１を備えたタグであってもよい。タグとした場合、そのタグをリーダライタ装置に近づけることで、タグとリーダライタ装置との間で通信が行われる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ−アンテナ装置
１０−給電コイル
１０Ａ−ＩＣ
２０−アンテナコイル（第１アンテナコイル）
３０−アンテナコイル（第２アンテナコイル）
５０−アンテナコイル
１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４，４１，４２−配線パターン
１０１〜１１６−磁性体層
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３−コンデンサ

Claims (4)

1. 磁性体層と、
   巻回軸を前記磁性体層の積層方向に一致させて前記磁性体層に形成された給電コイルと、
   巻回軸を前記磁性体層の積層方向に一致させて前記磁性体層に形成され、かつ、前記給電コイルと磁界結合する第１アンテナコイル及び第２アンテナコイルと、
   を備え、
   前記給電コイルは、前記積層方向から視て前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルよりも内側に形成され、
   前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルの少なくとも一部は、前記積層方向における前記給電コイルの外側に形成されている、
   アンテナ装置。
2. 前記給電コイル、前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルは、前記磁性体層の複数層に亘って形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電コイルの一部は、前記第１アンテナコイル及び前記第２アンテナコイルの少なくとも一方と同一層に形成されている、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載のアンテナ装置を備えた通信装置。

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