JP5958473B2 - アンテナ装置及び携帯端末 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システム等に用いられるアンテナ装置及び携帯端末に関する。

ＲＦＩＤシステムは、電磁界信号を介して外部機器と無線通信する技術であり、鉄道の自動改札機や、建物への入退出におけるセキュリティシステム、電子マネーシステム等の分野で広く利用されている。

現在、ＲＦＩＤ機能を有した携帯電話や、タブレット型ＰＣ等の携帯端末が普及し、ＩＣカードの代わりとなり使用されているが、ＲＦＩＤ機能を有した携帯端末は、単機能のＩＣカードとは異なり、機能が多岐にわたるため、端末内部は電子部品で密集しており、外部機器と無線通信するために使用されるアンテナ装置の実装空間は限りなく制限されている。

したがって、携帯端末に搭載されるアンテナ装置は、ＩＣカードと比べ、面積が小さくなる傾向にあり、外部機器との通信において、しばしば問題が生じることがある。特に、外部機器との対向角度が大きくなった場合に、通信性能が著しく低下する。このため、対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑制する試みがなされている。

特開２００４−２６６８１１号公報 特開２００２−２０８８１４号公報

例えば、特許文献１に記載の技術においては、アンテナ装置を通信したい方向へ湾曲させ、携帯端末内部の内壁側面に沿ってアンテナ装置を設置することで、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えている。

特許文献２に記載の技術においては、磁性シートを通信したい方向へ延長して配置することで、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えている。

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、アンテナ装置を湾曲して設置する必要があるため、アンテナ装置の実装空間が大きくなる問題がある。さらに、設置場所が制限され、平面に設置する場合と比べ破損の可能性が高くなる等の問題もある。

また、特許文献２に記載の技術においては、磁性シートをプリント基板の外側に延長する必要があるため、アンテナ装置の面積が大きくなってしまい、実装空間が大きくなる問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アンテナ装置の実装空間を拡大することなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えたアンテナ装置及び携帯端末を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るアンテナ装置は、プリント基板の一方の面に第１のループコイルを、他方の面に第２のループコイルをそれぞれ設け、前記プリント基板に設けたスルーホールを用いて前記２つのループコイルを接続し、前記第１のループコイルと前記第２のループコイルを同一平面上に投影した際に、第１の辺部が相互に重なり、前記第１の辺部と対称の位置にある第２の辺部が相互に重ならないよう配置されており、前記第２の辺部が相互に重ならないように配置された領域を覆うように磁性シートを設けたことを第１の特徴とする

上記特徴の本発明によれば、第１ループコイルと第２のループコイルとが重なるように配置された第１の辺部と、重ならないように配置された第２の辺部とを設け、両長辺部のループコイルの配置を変えることにより、磁界分布の偏りをつけることができる。なお、磁性シートは、第２の辺部を覆う必要があるだけで、プリント基板の外側に延長する必要がないため、アンテナ装置の面積が大きくなることはない。さらに、磁界分布を操作するため、通信したい方向へアンテナ装置を湾曲して設置する必要がなく、アンテナ装置の実装空間が拡大することもない。すなわち、アンテナ装置の実装空間を拡大することなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えることが可能となる。

さらに、本発明に係るアンテナ装置は、前記第１の辺部が、前記磁性シートで覆われていないことを第２の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、磁性シートで覆われている第２の辺部と、覆われていない第１の辺部とを設け、両長辺部の磁性シートの形状又は配置を変えることにより、一層磁界分布の偏りをつけることができるため、アンテナ装置の実装空間を拡大することなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下をさらに抑えることが可能となる。

さらに、本発明に係るアンテナ装置は、前記第２の辺部が重ならないように配置された領域では、第１のループコイルの配線パターンと第２のループコイルの配線パターンとが、少なくとも１点で交差していることを第３の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、第２の辺部において、第１のループコイルの配線パターンと第２のループコイルの配線パターンとが所定の一点で交差することにより、第２の辺部近傍に３種類の磁界分布が生じ、異なる磁界分布が相互に作用することで、より一層磁界分布の偏りをつけることができるため、アンテナ装置の実装空間を拡大することなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下をさらに抑えることが可能となる。

さらに、本発明に係るアンテナ装置は、前記第１のループコイルと前記第２のループコイルとが同じ基準電位に接続されることを第４の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、第１のループコイルと第２のループコイルとが同じ基準電位に接続され、第１のループコイルと第２のループコイルが回路的に切り分けられると、負荷変調時のインピーダンス変化が大きくなり、それに伴い反磁界の差が大きくなるため、負荷変調信号のＳ／Ｎ比が改善され、結果として外部機器の検出度が高くなり、通信性能が向上する。

さらに、本発明に係るアンテナ装置は、単一又は複数の遠方界通信用アンテナが、前記第１のループコイルおよび第２のループコイルが形成された開口部に配置されていることを第５の特徴とする

上記特徴の本発明によれば、アンテナ装置が外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑える特徴を維持したまま、アンテナ装置の大きさを大きくすることなく、アンテナ装置をマルチバンド化することが可能となる。このように第１のループコイルと第２のループコイルが形成された開口部に、通信周波数帯域が異なる遠方界通信用アンテナを配置することにより、アンテナ装置のサイズを大きくすることなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑制しつつ、マルチバンド化のアンテナ装置を提供することができる。

さらに、本発明に係るアンテナ装置は、携帯端末の筐体内に搭載することを第６の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、例えば、鉄道の自動改札機を通過する際や電子マネー等としてリーダーライタとの認証スピードを求められるような多様な場面において、思いがけずリーダーライタと携帯端末との間に対向角度ができてしまった場合でも、良好に通信することが可能となる。

本発明によれば、アンテナ装置の実装空間を拡大することなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えたアンテナ装置及び携帯端末を提供することができる。

第１の実施形態に係るアンテナ装置１０を第１のループコイルの面側１１Ａから見た平面図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置１０を第２のループコイルの面側１１Ｂから見た平面図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置１０を各構成要素に分解し、垂直方向へ並べた展開斜視図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置１０を第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 ループコイルの第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図である。 図２Ｄは、第１の辺部１１Ｌと第２の辺部１１Ｒをループコイルの短辺側とした場合、第１のループコイルの面側１１Ａから見た平面図である。 図２Ｅは、第２のループコイル１３が正方形の場合、第１のループコイルの面側１１Ａから見た平面図である。 比較形態１によるヘリカル状コイル２０を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。 図３ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 比較形態１によるスパイラル状コイル３０を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。 図３ＣのＡ−Ａ’線断面図である。 アンテナ装置１０の磁界分布Ｈの模式図である。 ヘリカル状コイル２０の磁界分布Ｈの模式図である。 スパイラル状コイル３０の磁界分布Ｈの模式図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａを第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。 図５ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 アンテナ装置１０Ａの磁界分布Ｈの模式図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂを第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。 図７ＡのＢ−Ｂ’線断面図及び第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図である。 図７ＡのＡ−Ａ’線断面図及び第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図である。 図７ＡのＣ−Ｃ’線断面図及び第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置１０ＣのＲＦＩＤシステムの送受信回路への接続を示した回路構成図の一例である。 第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｄを第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。 実施例１に係るアンテナ装置１００を第１のループコイルの面側１１０Ａから見た平面図である。 実施例１に係るアンテナ装置１００を第２のループコイルの面側１１０Ｂから見た平面図である。 実施例１に係るアンテナ装置１００を第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。 比較例１によるヘリカル状コイル２００を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１０Ａから透かして見た平面図である。 比較例１によるスパイラル状コイル３００を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。 実施例１に係るアンテナ装置１００の効果を確認するためのシミュレーションの構成を示す図である。 図１３ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 図１３Ｂのアンテナ装置１００、２００、３００を外部機器４００との対向角度θ傾けた場合を示している。 実施例１に係るアンテナ装置１００の効果を確認するためのシミュレーションの結果得られた、電力の伝送特性を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。 実施例１に係るアンテナ装置１００の効果を確認するための実験の結果得られた、最大通信距離を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。 実施例２に係るアンテナ装置１００の効果を確認するためのシミュレーションの構成を示す図である。 図１５ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 図１５Ｂのアンテナ装置１００、２００、３００と、金属板５００を外部機器４００との対向角度θ傾けた場合を示している。 実施例２に係るアンテナ装置１００の効果を確認するためのシミュレーションの結果得られた、電力の伝送特性を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。 実施例２に係るアンテナ装置１００の効果を確認するための実験の結果得られた、最大通信距離を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。 実施例３に係るアンテナ装置１００Ａを第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。 アンテナ装置１００のＲＦＩＤシステムの送受信回路への接続を示した回路構成図の一例である。 アンテナ装置１００ＡのＲＦＩＤシステムの送受信回路への接続を示した回路構成図の一例である。 実施例３に係るアンテナ装置１００Ａの効果を確認するための実験の結果得られた、最大通信距離を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。 実施例４に係るアンテナ装置１００Ｄを第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１Ａは、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０を第１のループコイルの面側１１Ａから見た平面図である。同図に示すように、プリント基板１１の第１のループコイルの面側に磁性シート１５が設けられる。また、図１Ｂは、アンテナ装置１０を第２のループコイルの面側１１Ｂから見た平面図である。さらに、図１Ｃは、アンテナ装置１０を各構成要素に分解し、垂直方向へ並べた展開斜視図である。

図１Ｃに示すように、アンテナ装置１０は、プリント基板の一方の面に形成された略環状の第１のループコイル１２と、他方の面に形成された略環状の第２のループコイル１３と、プリント基板１１を貫通するスルーホール１４と、プリント基板１１の第１のループコイルの面側に設けられた磁性シート１５とを備えている。なお、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とは、スルーホール１４で接続されている。

プリント基板１１は、ガラスエポキシ、ポリイミド、ポリエチレン、アラミド、紙フェノール、紙エポキシ、ポリエステル、セラミックなどの絶縁性材料によって構成される。

第１のループコイル１２と第２のループコイル１３、スルーホール１４は、アルミニウム、銅、銀、ニッケル、金などの導体材料によって構成される。

磁性シート１５は、磁性材料と樹脂からなる柔軟性に富んだ衝撃に強いシート状のもの、高透磁率を有するフェライト焼結体を薄板状に加工したものなどがある。

図２Ａは、アンテナ装置１０を第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。また、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ’線断面図である。さらに、図２Ｃは、第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図である。

図２Ａに示すように、アンテナ装置１０は、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが、プリント基板１１を介して相互に重なるように配置した領域（第１の辺部１１Ｌ）と、相互には重ならないように配置した領域（第２の辺部１１Ｒ）とを備えている。

また、図２Ｃに示すように、第１の辺部１１Ｌは、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが、十分に薄いプリント基板１１を介して相互に重なるように配置されるため、垂直方向のループコイル間隔はプリント基板１１の厚み分しかなく、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３との間に磁気的な障壁ができ、磁束ＭＦがほぼ通過することができない。すなわち、第１の辺部１１Ｌにおいては、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが実効的に１つのループコイルを形成し、略同心円状に磁界が分布することになる。

また、第２の辺部１１Ｒのように、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが、相互には重ならないように配置されると、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３との間に磁気的な障壁がなくなり、磁束ＭＦが十分に通過できるようになる。このとき、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とは、スルーホール１４で接続されていることから、第２の辺部１１Ｒにおいて、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３は同じ方向に電流が流れるため、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３からそれぞれ発生する磁束ＭＦは、第１のループコイル１２と第２の１３との間を通過する向きが逆向きとなり、磁界を弱めあう。結果として、磁界分布Ｈは同心円状とならず、略楕円状に分布する。

なお、プリント基板１１の厚みは、好ましくは１０μｍ〜１００μｍであり、より好ましくは２５μｍ〜５０μｍである。

第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とのずれ幅ｇ０は、好ましくは０．１ｍｍ〜３．０ｍｍであり、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍである。すなわち、ずれ幅ｇ０が大き過ぎると、ループコイル全体を通過する磁束量が減少するので上記範囲が好ましい。

図２Ｄは、第１の辺部１１Ｌと第２の辺部１１Ｒをループコイルの短辺側とした場合、第１のループコイルの面側１１Ａから見た平面図である。

図２Ｅは、第２のループコイル１３が正方形の場合、第１のループコイルの面側１１Ａから見た平面図である。

このように、略環状からなるループコイル１２とループコイル１３の形状は、長方形に限らず、正方形、矩形でもよい。また、第１の辺部を、ループコイルの短辺側としても長辺側にしてもどちらにしても良い。また、第１の辺部、第２の辺部は直線パターンにかぎらず、例えばミアンダ等の他の形状パターンにしても良い。

（比較形態１）
比較形態１として、図３Ａにヘリカル状コイル２０と、図３Ｃにごく一般的なアンテナ装置であるスパイラル状コイル３０を示す。

図３Ａは、ヘリカル状コイル２０を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図であり、図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ’線断面図である。また、図３Ｃは、スパイラル状コイル３０を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図であり、図３Ｄは、図３ＣのＡ−Ａ’線断面図である。

図３ＡとＢに示すヘリカル状コイル２０は、アンテナ装置１０の効果を確認するため、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが相互には重ならないように配置した領域（第２の辺部１１Ｒ）においても、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とを重なるように配置した。

図３ＣとＤに示すスパイラル状コイル３０は、プリント基板１１の一方の面にのみ２ターンのループコイル１２を形成した。

図４Ａは、アンテナ装置１０の磁界分布Ｈの模式図である。また、図４Ｂは、ヘリカル状コイル２０の磁界分布Ｈの模式図である。さらに、図４Ｃは、スパイラル状コイル３０の磁界分布Ｈの模式図である。

図４ＢとＣに示す比較形態１によるヘリカル状コイル２０とスパイラル状コイル３０は、アンテナ装置の中心軸ＣＬに対し、磁界は略同心円状に分布する。一方、図４Ａに示す第１の実施形態に係るアンテナ装置１０は、第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍から発生する磁界分布Ｈが異なるため、アンテナ装置の中心軸ＣＬに対し、磁界分布Ｈに偏りが生じる。結果として、アンテナ装置が傾いた場合の通信性能が向上する。すなわち、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えることが可能となる。

（第２の実施形態）
図５Ａは、第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａを第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。また、図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’線断面図である。さらに、図６は、磁界分布Ｈの模式図である。

図５Ａに示す第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａと、図２Ａに示す第１の実施形態に係るアンテナ装置１０との異なる点は、第１の辺部１１Ｌにおいて、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３が、磁性シート１５で覆われていないことである。

このように、第１の辺部１１Ｌにおいて、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３を、磁性シート１５で覆われないようにすることで、図６に示している矢印の方向へ磁界の回り込みが生ずる。結果として、アンテナ装置１０Ａの磁界分布Ｈは、アンテナ装置１０と比べ、さらに偏りが生じ、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下をさらに抑えることが可能となる。

なお、磁性シート１５で覆われない領域は、第１の辺部１１Ｌにおける第１のループコイル１２と第２のループコイル１３が完全に覆われない程度が好ましく、第１の辺部１１Ｌの内側から、０ｍｍ〜１ｍｍ程度まで覆われていないのが好ましい。すなわち、磁性シートで覆われない領域が大き過ぎると、携帯端末等に搭載して使用される場合、背面金属に生じる渦電流からの悪影響を緩和する能力が低下するので上記範囲が好ましい。

（第３の実施形態）
図７Ａは、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂを第１のループコイルの面側１１Ａから透かして見た平面図である。また、図７Ｂは、図７ＡのＢ−Ｂ’線断面図及び第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図、図７Ｃは、図７ＡのＡ−Ａ’線断面図及び第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図、図７Ｄは、図７ＡのＣ−Ｃ’線断面図及び第１の辺部１１Ｌ近傍と第２の辺部１１Ｒ近傍の磁界分布Ｈの模式図である。

図７Ａに示す第３の実施形態に係るアンテナ装置１０Ｂと、図５Ａに示す第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Ａとの異なる点は、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが相互には重ならないように配置した複数の領域（第２の辺部１１Ｒ）において、当該領域間では第１のループコイル１２の配線パターンと第２のループコイル１３の配線パターンとが、所定の一点で交差していることである。

このように、第２の辺部１１Ｒにおいて、第１のループコイル１２の配線パターンと第２のループコイル１３の配線パターンとを、所定の一点で交差させることで、図７Ｂ〜Ｄに示すような３種類の磁界分布Ｈが生じ、異なる磁界分布Ｈが相互に作用し磁界を弱めあうことで、さらに磁界分布Ｈの偏りが生じる。すなわち、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下をさらに抑えることが可能となる。

なお、第１のループコイル１２の配線パターンと第２のループコイル１３の配線パターンとを交差させるのは、第２の辺部１１Ｒの中央付近が好ましく、一点でのみで交差させるのが好ましい。すなわち、二点以上で交差し、多くの異なる磁界分布Ｈが生じると、磁界が弱くなり過ぎるので一点で交差させることが好ましい。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係るアンテナ装置１０ＣのＲＦＩＤシステムの送受信回路への接続を示した回路構成図の一例である。

図８に示すように、ＲＦＩＤシステムの送受信回路は、ＲＦ ＩＣ（負荷を含む）、ＥＭＣフィルタ、整合回路により構成され、一対の信号線ＴＲ１、ＴＲ２を有する。アンテナ装置１０Ｃの第１のループコイル１２は、信号線ＴＲ１と接続され、第２のループコイル１３は、信号線ＴＲ２に接続される。さらに、スルーホール１４部分が送受信回路の基準電位（グランド）に接続される。

このように、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とを接続しているスルーホール１４部分を同じ基準電位に接続すると、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが回路的に切り分けられ、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３がそれぞれ独立して機能するようになる。すなわち、スルーホール１４を介して第１のループコイル１２と第２のループコイル１３とが１つのループコイルを形成し、従属して機能していたものが、２つのループコイルが相互作用しながら独立して機能するようになる。

したがって、アンテナ装置１０Ｃのインピーダンスは半分程度と低くなり、負荷変調方式で外部機器と通信する際、信号線ＴＲ１、ＴＲ２を介してアンテナ装置１０Ｃに接続される負荷がオン／オフするときのアンテナ装置１０Ｃのインピーダンス変化は、スルーホール１４部分が基準電位に接続されていない場合と比較して、大きくなる。すなわち、負荷がオンのときとオフのときにアンテナ装置１０Ｃから発生する反磁界の差が大きくなり、負荷変調信号のS／N比が改善され、結果として外部機器の検出度が高くなり、通信性能が向上する。

なお、負荷が抵抗の場合、オンとオフの抵抗値の差は、５０Ω以上あることが好ましい。すなわち、オンとオフの抵抗値の差が大きいほうが、アンテナ装置１０Ｃのインピーダンス変化がより顕著になり、通信性能が向上することを示している。

（第５の実施形態）
図９は第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Dを第１のループコイルの面側１１Aから透かして見た平面図である。

図９に示す第５の実施形態に係るアンテナ装置１０Dと、図５Aに示す第２の実施形態に係るアンテナ装置１０Aとの異なる点は、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３を同一平面上に投影した際に、第１のループコイル１２と第２のループコイル１３が形成された開口部に、
単一又は複数の遠方界通信用アンテナ６０１が配置されていることである。（本図は単一のアンテナエレメントが配置されている。）

なお、遠方界通信用アンテナとは例えば、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ワイヤレスＬＡＮ（ＷｉＦｉ）アンテナなどがある。

このように第１のループコイル１２と第２のループコイル１３が形成された開口部に、通信周波数帯域が異なるアンテナエレメント６０１を配置することにより、アンテナ装置１０Dのサイズを大きくすることなく、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑制しつつ、マルチバンド化のアンテナ装置１０Dを提供することができる。

本発明の内容を実施例及び比較例を参照してより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１０Ａは、実施例１に係るアンテナ装置１００を第１のループコイルの面側１１０Ａから見た平面図である。同図に示すように、プリント基板１１０の第１のループコイルの面側に磁性シート１５０が設けられる。また、図１０Ｂは、アンテナ装置１００を第２のループコイルの面側１１０Ｂから見た平面図である。さらに、図１１は、アンテナ装置１００を第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。

図１０ＡとＢに示すように、アンテナ装置１００では、プリント基板１１０の高さｈ１を約２５ｍｍとし、幅ｗ１を約１５ｍｍとした。なお、プリント基板１１０の厚みは約５０μｍとし、材質はポリイミドとした。また、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０の配線幅ｐ１を約１．０ｍｍとした。なお、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０とは、スルーホール１４０で接続されており、導体の厚みは約３５μｍとし、材質は銅とした。

また、基板１１０の外形線から第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０までのギャップｇ１は、第２の辺部１１０Ｒを除き、約０．５ｍｍとし、第２の辺部１１０Ｒにおいては、ギャップをｇ１とｇ２の領域に分け、ｇ２を約２．０ｍｍとした。さらに、図１１に示すように、第２の辺部１１０Ｒにおいて、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０とが相互には重ならないように配置された領域が２つ形成され、当該領域間（第２の辺部１１０Ｒの中央付近）でループコイル１２０の配線パターンと１３０の配線パターンとが一点で交差するようにした。なお、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０とのずれ幅ｇ３は約０．５ｍｍとなっている。

また、磁性シート１５０は、高さｈ２を約２５ｍｍとし、幅ｗ２を約１３ｍｍとしており、第１の辺部１１０Ｌの第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０が磁性シートで覆われないように、基板１１０に設けた。

なお、アンテナ装置１００では、実使用を想定してパッド電極１６１、１６２、１７１、１７２を設けた。パッド電極１６１と１７１とはスルーホール１４１を介して接続されており、パッド電極１６２と１７２とはスルーホール１４２を介して接続されている。また、パッド電極１６１、１６２にスプリングピン等を介して、回路システムと接続することを想定し、パッド電極１６１と１６２が配置された領域の磁性シートを最低限だけ覆われないようにした。なお、パッド電極１６１、１６２、１７１、１７２を形成する場所は必ずしも基板１１０の内側でなくともよく、例えば基板１１０の外側に突起部を設けて形成することも可能である。

（比較例１）
比較例１として、図１２Ａにヘリカル状コイル２００と、図１２Ｂにごく一般的なアンテナ装置であるスパイラル状コイル３００を示す。

図１２Ａは、ヘリカル状コイル２００を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。また、図１２Ｂは、スパイラル状コイル３００を磁性シートが設けられる第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。

図１２Ａに示すヘリカル状コイル２００は、アンテナ装置１００の効果を確認するため、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０とが相互には重ならないように配置した領域（第２の辺部１１０Ｒ）においても、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０とを重なるように配置した。また、第１の辺部１１０Ｌは磁性シート１５０で覆われている。

図１２Ｂに示すスパイラル状コイル３００は、プリント基板１１０の第１のループコイルの面にのみ２ターンのループコイル１２０を形成し、パッド電極１６２（１７２）に至る一部分のみ第２のループコイルの面側に形成した。なお、配線幅は約０．５ｍｍ、配線間隔は約０．１ｍｍとした。また、第１の辺部１１０Ｌは磁性シート１５０で覆われている。

実施例１に係るアンテナ装置１００の効果を確認するためのシミュレーション構成を図１３Ａに示す。

図１３Ａは、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００を上面から見た図である。同図に示すように、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００とは、中心軸ＣＡを合わせた状態にして配置する。図１３Ｂは、図１３のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示すように、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００とは、距離ｄを離して配置する。図１３Ｃは、図３Ｂのアンテナ装置１００、２００、３００を外部機器４００との対向角度θ傾けた場合を示している。同図に示すように、アンテナ装置１００、２００、３００の第２の辺部１１０Ｒを外部機器４００から離れる側とし、距離ｄの定義を第１の辺部１１０Ｌから外部機器４００までの距離とする。なお、本シミュレーションにおいては、アンテナ装置１００、２００、３００の磁性シート１５０が設けられていない第２のループコイルの面側１１０Ｂを外部機器４００に対向させ、磁性シート１５０が設けられている第１のループコイルの面側１１０Ａは対向しないものとする（不図示）。

図１３Ａで示したシミュレーション構成において、外部機器４００からアンテナ装置１００、２００、３００へ伝送される電力の伝送特性を、ＡＮＳＹＳ社の電磁界シミュレーションソフトＨＦＳＳ及び回路シミュレーションソフトＡｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒを用いて計算した。具体的には、電磁界シミュレーションソフトＨＦＳＳで外部機器４００とアンテナ装置１００、２００、３００とをそれぞれ対向させたものを電磁界解析し、結果として得られたＳパラメータを、回路シミュレーションソフトＡｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒにインポートし、整合回路等の周辺回路を接続し、電力の伝送特性を計算する。電力の伝送特性の単位はｄＢ（デジベル）を使用し、値が大きいほど電力の伝送特性が良好であることを示している。

なお、本シミュレーションの条件としては、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００との距離ｄは約３０ｍｍとし、アンテナ装置１００、２００、３００と外部機器４００との対向角度θは０°、１５°、３０°、４５°、６０°、７５°、９０°とし、外部機器４００のアンテナ装置は、２ターンのスパイラル状コイルを用い、そのサイズは約１００ｍｍ×１００ｍｍとし（不図示）、各アンテナの中心軸ＣＡを合わせた状態でシミュレーションを行なった。

図１４は、本シミュレーションの結果得られた、電力の伝送特性を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。同図に示すように、アンテナ装置１００は、アンテナ装置２００と比較して、１５°で約０．６ｄＢ、３０°で約１．１ｄＢ、４５°で約１．７ｄＢ、６０°で約２．６ｄＢ、７５°で約４．８ｄＢ、９０°で約２４．１ｄＢ、伝送特性が向上したことを示している。さらに、アンテナ装置３００と比較して、１５°で約０．９ｄＢ、３０°で約１．３ｄＢ、４５°で約１．９ｄＢ、６０°で約２．９ｄＢ、７５°で約５．１ｄＢ、９０°で約２４．６ｄＢ、伝送特性が向上したことを示している。すなわち、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えることが予測される。

また、本シミュレーションに基づいて実験を行なった。本実験は、外部機器４００との最大通信距離を測定するものとし、その構成は、実施例１のシミュレーションと同様に、図１３Ａのような構成とし、外部機器４００には汎用のＲＦＩＤリーダーライタを使用した。

本実験の結果を図１５に示す。同図に示すように、アンテナ装置１００の最大通信距離は、アンテナ装置２００、３００と比較して、外部機器４００との対向角度θが１５°〜９０°において大きいことがわかる。すなわち、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えていることが確認され、その効果が実証されたことを示している。

（実施例２）
アンテナ装置１００が携帯端末の筐体内に搭載された場合を想定し、実施例１で行なったシミュレーションと実験の構成に、薄い金属板５００を付加した。

図１６Ａは、本シミュレーションの構成を示す図であり、実施例１のシミュレーション構成を示す。図１３Ａと異なる点は、薄い金属板５００が付加された構成になっていることである。図１６Ａは、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００と、金属板５００を上面から見た図である。また、図１６Ｂは、図１６ＡのＡ−Ａ’線断面図である。同図に示すように、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００とは、距離ｄを離して配置する。図１６Ｃは、図１６Ｂのアンテナ装置１００、２００、３００と、金属板５００を外部機器４００との対向角度θ傾けた場合を示している。金属板５００は、アンテナ装置１００、２００、３００と約３ｍｍのギャップで垂直方向に並行配置し、金属板５００の端部付近にアンテナ装置１００、２００、３００を配置した。なお、金属板５００の大きさは約１１０ｍｍ×４０ｍｍ、厚みは約１８μｍ、材質は銅とした。これは、携帯端末内部の回路基板を想定したもので、アンテナ装置１００、２００、３００を携帯端末に擬似的に搭載したことを再現したものである。また、本シミュレーションにおいても、アンテナ装置１００、２００、３００の磁性シート１５０が設けられていない第２のループコイルの面側１１０Ｂを外部機器４００に対向させ、磁性シート１５０が設けられている第１のループコイルの面側１１０Ａは金属板５００に対向させるものとする（不図示）。

なお、本シミュレーションも実施例１と同様に、外部機器４００からアンテナ装置１００、２００、３００へ伝送される電力の伝送特性を計算する。また、本シミュレーションの条件も実施例１と同様に、アンテナ装置１００、２００、３００と、外部機器４００との距離ｄは約３０ｍｍとし、アンテナ装置１００、２００、３００と外部機器４００との対向角度θは０°、１５°、３０°、４５°、６０°、７５°、９０°とし、外部機器４００のアンテナ装置は、２ターンのスパイラル状コイルを用い、そのサイズは約１００ｍｍ×１００ｍｍとし（不図示）、各アンテナの中心軸ＣＡを合わせた状態でシミュレーションを行なった。

図１７は、本シミュレーションの結果得られた、電力の伝送特性を、外部機器４００との対向角度θで示したグラフである。同図に示すように、アンテナ装置１００は、アンテナ装置２００と比較して、３０°で約０．６ｄＢ、４５°で約１．９ｄＢ、６０°で約４．０ｄＢ、７５°で約９．２ｄＢ、９０°で約９．４ｄＢ、伝送特性が向上したことを示している。さらに、アンテナ装置３００と比較して、３０°で約１．０ｄＢ、４５°で約２．３ｄＢ、６０°で約４．４ｄＢ、７５°で約９．６ｄＢ、９０°で約１０．０ｄＢ、伝送特性が向上したことを示している。すなわち、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えることが予測される。

また、本シミュレーションに基づいて実験を行なった。本実験は、外部機器４００との最大通信距離を測定するものとし、その構成は、実施例２のシミュレーションと同様に、図１５Ａのような構成とし、外部機器４００には汎用のＲＦＩＤリーダーライタを使用した。

本実験の結果を図１８に示す。同図に示すように、アンテナ装置１００の最大通信距離は、アンテナ装置２００、３００と比較して、外部機器４００との対向角度θが３０°〜９０°において大きいことがわかる。すなわち、アンテナ装置１００が携帯端末に搭載された場合においても、外部機器との対向角度が大きくなった場合に生じる通信性能の低下を抑えていることが確認され、その効果が実証されたことを示している。

（実施例３）
図１９は、実施例３に係るアンテナ装置１００Ａを第１のループコイルの面側１１０Ａから透かして見た平面図である。

図１９に示すように、アンテナ装置１００Ａは、その効果を確認するため、図１１に示すアンテナ装置１００にパッド電極１６３を第１のループコイルの面へ、パッド電極１７３を第２のループコイルの面へそれぞれ設け、それに伴い、スルーホール１４０の位置をパッド電極上へ移動させたものとなっている。すなわち、アンテナ装置１００Ａのパッド電極は、１６１（１７１）、１６２（１７２）、１６３（１７３）の３端子となり、一対の信号線ＴＲ１、ＴＲ２と、基準電位（グランド）に接続することが可能となる。

図２０Ａは、アンテナ装置１００のＲＦＩＤシステムの送受信回路への接続を示した回路構成図の一例である。また、図２０Ｂは、アンテナ装置１００ＡのＲＦＩＤシステムの送受信回路への接続を示した回路構成図の一例である。

図２０Ｂに示すように、アンテナ装置１００Ａの第１のループコイル１２０は、パッド電極１６２（１７２）で信号線ＴＲ１に接続され、パッド電極１６３（１７３）で基準電位に接続される。また、第２のループコイル１３０は、パッド電極１６１（１７１）で信号線ＴＲ２に接続され、パッド電極１６３（１７３）で基準電位に接続される。すなわち、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０とは、基準電位によって回路的に切り分けられ、それぞれが独立して機能する。なお、図２０Ａに示すように、アンテナ装置１００は、パッド電極１６３（１７３）を有していないため、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０は、基準電位に接続することができず、それぞれが従属して機能する。

実施例３に係るアンテナ装置１００Ａの効果を確認するため、実施例２の実験と同様に、図１６Ａに示した構成で、外部機器４００との最大通信距離を測定した。なお、負荷がオンのときの抵抗値を約１０００Ω、オフのときの抵抗値を約５Ωと設定して実験を行なった。

本実験の結果を図２１に示す。同図に示すように、アンテナ装置１００Ａの最大通信距離は、アンテナ装置１００と比較して、外部機器４００との対向角度θが０°〜９０°において大きいことがわかる。すなわち、第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０が同じ基準電位に接続されることで、アンテナ装置１００Ａの通信性能が向上したことが確認され、その効果が実証されたことを示している。

（実施例４）
図２２は、実施例４に係るアンテナ装置１００Dを第１のループコイルの面側１１０Aから透かして見た平面図である。

図２２に示すように、アンテナ装置１００Dは、図１１に示すアンテナ装置１００の第１のループコイル１２０と、第２のループコイル１３０が形成された開口部に、単一又は複数の遠方界通信用アンテナ６０２を配置したものとなっている。（本図は単一のアンテナエレメントが配置されている。）

なお、遠方界通信用アンテナとは例えば、ＧＰＳ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ワイヤレスＬＡＮ（ＷｉＦｉ）アンテナなどがある。

遠方界通信用アンテナ６０２の一端はスプリングピン等を介して回路システムと接続することを想定し、他端は開放端となっている。このように遠方界通信用アンテナを配置することにより、１／４波長で動作するモノポールアンテナとなる。

磁性シート１５０は、遠方界通信用アンテナ６０２を覆っていてもよいが、磁性シート１５０が遠方界通信用アンテナ６０２の動作する周波数帯において、損失が大きい場合は、磁性シート１５０がアンテナエレメント６０２を覆っていないほうが好ましい。

上記実施例４において、遠方界通信用アンテナのエレメント形状はミアンダ状の場合について示したが、例えば略U字状、略L字状等、他の形状にしても良い。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０D、２０、３０、１００、１００Ａ、１００D、２００、３００…アンテナ装置
１１、１１０…プリント基板
１１Ａ、１１０Ａ…第１のループコイルの面側
１１Ｂ、１１０Ｂ…第２のループコイルの面側
１１Ｌ、１１０Ｌ…第１の辺部
１１Ｒ、１１０Ｒ…第２の辺部
１２、１２０…第１のループコイル
１３、１３０…第２のループコイル
１４、１４０、１４１、１４２…スルーホール
１５、１５０…磁性シート
１６１、１６２、１６３、１７１、１７２、１７３…パッド電極
４００…外部機器
５００…金属板
６０１、６０２…遠方界通信用アンテナ

Claims (6)

1. プリント基板の一方の面に第１のループコイルを、他方の面に第２のループコイルをそれぞれ設け、前記プリント基板に設けたスルーホールを用いて前記２つのループコイルを接続し、前記第１のループコイルと前記第２のループコイルを同一平面上に投影した際に、第１の辺部が相互に重なり、前記第１の辺部と対称の位置にある第２の辺部が相互に重ならないよう配置されており、前記第２の辺部が相互に重ならないように配置された領域を覆うように磁性シートを設けたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１のループコイルの第１の辺部が前記磁性シートで覆われていないことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２の辺部が重ならないように配置された領域では、第１のループコイルの配線パターンと第２のループコイルの配線パターンとが、少なくとも１点で交差していることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１のループコイルと前記第２のループコイルとが同じ基準電位に接続されることを特徴とする請求項１乃至３に記載のアンテナ装置。
5. 単一又は複数の遠方界通信用アンテナを、前記第１のループコイルおよび第２のループコイルが形成された開口部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４に記載の複合アンテナ装置。
6. 請求項１乃至５に記載のアンテナ装置を筐体内に搭載することを特徴とする携帯端末。

Images