JP6146550B2 - アンテナ装置および通信端末装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に例えばウェアラブル端末に備えられるアンテナ装置に関する。また、本発明は、通信端末装置に関し、特に例えばウェアラブル端末として用いられる通信端末装置に関する。
近年、直接身に着けて持ち歩くことのできる指輪、腕輪、腕時計等のようなリング状の通信端末装置が各種考案されている。このような通信端末装置は、いわゆるウェアラブル端末（Wearable Device）と呼ばれ、スマートフォンやノートパソコンのように携帯するのではなく、体に装着して利用する形態の情報端末である。
例えば、特許文献１には指輪の台座部分に集積回路、無線タグ側アンテナおよびリーダライタ側アンテナを備えた通信端末装置が記載されている。特許文献２には本体内にある制御回路に接続され、ベルト内に埋め込まれた２つのシート状コイルにより非接触データ通信を行うブレスレット型の通信端末装置が記載されている。特許文献３には周方向に連続する線状の導電体が腕に内蔵され、アンテナとして機能する指輪（リング）型の通信端末装置が記載されている。
特開２００８−１８７６５３号公報 特開平３−２０２９９７号公報 特開２００３−９３３６８号公報
しかし、特許文献１，２に示される構成では、アンテナコイルが小型の通信端末装置の全体ではなく、一部にのみ形成されるため、アンテナコイルのコイル開口は小さい。そのため、通信相手側のアンテナコイルと鎖交する磁束は少なく、通信システムにおける通信可能距離は短い。また、特許文献３に示される構成では、アンテナとして機能する線状の導電体を周方向に巻回して指輪（リング）の腕に内蔵するため、通信端末装置の厚みは大きくなってしまう。さらに、線状の導電体を内蔵する指輪の腕が金属製である場合には、金属製の腕が磁界を遮蔽するため、アンテナ特性が著しく低下する。
本発明の目的は、大型のアンテナコイルを用いることなく、簡素な構成により通信特性の良いリング型のアンテナ装置およびそのアンテナ装置を備える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、
給電コイルと、
軸周りに配置され、軸方向に第１縁端部および第２縁端部を有するリング状導体と、
を備え、
前記リング状導体は、前記第１縁端部から内側に向かって形成される開口部を有し、
前記開口部は、径方向から視て、前記給電コイルのコイル開口に対して少なくとも一部が重なり、
前記給電コイルは、前記開口部と電界結合、磁界結合または電磁界結合する。
この構成では、給電コイルがリング状導体の開口部と電界結合、磁界結合または電磁界結合するため、リング状導体が給電コイルに対するブースターアンテナとして機能する。そのため、給電コイルのみの場合と比べ、アンテナとして機能する実質的なコイル開口が大きくなり、磁束を放射（集磁）する範囲および距離が大きくなることで、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。したがって、大型のアンテナコイルを用いることなく、簡素な構成により通信特性の良いリング型のアンテナ装置を実現できる。
（２）前記開口部は、前記第１縁端部または前記第２縁端部に隣接しない位置に、周方向の幅が相対的に大きい幅広部を有し、前記給電コイルは、前記幅広部と電界結合、磁界結合または電磁界結合する構造であることが好ましい。そのため、給電コイルから発生して開口部を通過する磁束が多くなることにより、給電コイルとリング状導体との結合度が高まる。また、開口部を設けることにより、給電コイルとリング状導体の第２縁端部が近接する領域が広くなるため、給電コイルとリング状導体との結合度が高まる。ブースターアンテナと給電コイルとの結合度は、ブースターアンテナを介して給電回路が受け取ることのできる電磁エネルギーの量に関わるため、できる限り高くすることが好ましい。したがって、この構成により、結果的に通信特性を良くできる。
（３）前記開口部は、前記第１縁端部と前記第２縁端部とを結ぶ構造とすることができる。
（４）上記（１）から（３）において、前記給電コイルと電界結合、磁界結合または電磁界結合する前記開口部とは別に、前記第１縁端部と前記第２縁端部とを結ぶ開口部をさらに有する構造であってもよい。このことにより、リング状導体の設計上の自由度が高められる。
（５）上記（１）または（２）において、前記リング状導体の前記第２縁端部は、周方向に連続していることが好ましい。この構成では、給電コイルがリング状導体の開口部と電界結合、磁界結合または電磁界結合することにより、リング状導体の第１縁端部に誘導電流が流れる。また、給電コイルと磁界結合することにより、リング状導体の第２縁端部にも誘導電流が流れる。そして、第１縁端部に流れる誘導電流の向きと、第２縁端部に流れる誘導電流の向きは、同じになる。したがって、リング状導体の径方向の表面だけでなく、第１縁端部および第２縁端部もアンテナとして機能するので、磁束が出入りする実質的なコイル開口の面積は大きくなり、磁束を放射（集磁）する範囲および距離が大きくなることで、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。したがって、通信特性の良いアンテナ装置を実現できる。
（６）本発明の通信端末装置は、
上記（１）から（５）のいずれかに記載のアンテナ装置と、
前記給電コイルに接続される、または電界結合、磁界結合または電磁界結合する給電回路と、を備えることが好ましい。この構成により、ＨＦ帯やＵＨＦ帯の通信システムに用いられるアンテナ装置を備える通信端末装置を実現できる。
（７）上記（８）において、前記リング状導体は、人体の一部が挿通される装着部に設けられていることが好ましい。この構成により、いわゆるウェアラブル端末として、ＨＦ帯やＵＨＦ帯の通信システムに用いられるアンテナ装置を備える通信端末装置を実現できる。また、人体はおおよそ、皮膚（表皮）は絶縁体、皮下部分は導体とみなすことができる。そのため、通信相手側のアンテナコイルから発生した磁束は、リング状導体に挿通した人体に沿って、大きな磁束のループを描いて第１縁端部および第２縁端部を出入り（鎖交）するようになる。このように、リング状導体に挿通した人体によって磁路が変化して、通信相手側のアンテナコイルから発生した磁束がリング状導体に鎖交し易くなる。したがって、人体もブースターとして機能し、磁束の放射および集磁が効率良く行われるため、通信相手側のアンテナコイルとの磁界結合を高めることができ、結果的に通信特性を良くできる。
本発明によれば、大型のアンテナコイルを用いることなく、簡素な構成により通信特性の良いリング型のアンテナ装置およびそのアンテナ装置を備える通信端末装置を実現できる。
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の外観斜視図であり、図１（Ｂ）はアンテナ装置１０１に備える給電コイル３１の導体パターンの平面図である。 図２（Ａ）はアンテナ装置１０１の平面図であり、図２（Ｂ）はアンテナ装置１０１の右側面図であり、図２（Ｃ）はアンテナ装置１０１の左側面図である。 図３（Ａ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０１の外観斜視図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図３（Ｃ）はリング状導体１に生じる電流と磁束との関係を示す、アンテナ装置１０１の平面図である。 図４はアンテナ装置１０１を人体の一部に装着した場合において、アンテナ装置１０１に近接させた通信相手側のアンテナコイル４０から発生する磁束φＲ１，φＲ２の様子を示す概念図である。 図５は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の外観斜視図である。 図６は、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３の外観斜視図である。 図７（Ａ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０３の外観斜視図であり、図７（Ｂ）はリング状導体１に生じる電流と磁束との関係を示す、アンテナ装置１０３の平面図である。 図８（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４Ａの外観斜視図であり、図８（Ｂ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０４Ａの外観斜視図である。 図９（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４Ｂの外観斜視図であり、図９（Ｂ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０４Ｂの外観斜視図である。 図１０は第５の実施形態に係る通信端末装置２０１の断面図である。 図１１（Ａ）は第６の実施形態に係る通信端末装置２０２の平面図であり、図１１（Ｂ）は通信端末装置２０２の右側面図である。 図１２は、通信端末装置２０２を手首に装着した状態を示す図である。
以降、図を参照していく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。
以降で示す各実施形態において、「アンテナ装置」とは、磁束を放射するアンテナである。アンテナ装置は、通信相手側のアンテナと磁界結合を用いた近傍界通信のために用いられるアンテナであり、例えばＮＦＣ（Near Field Communication）等の通信に利用される。アンテナ装置は、通信周波数帯は例えばＨＦ帯で使用され、特に１３．５６ＭＨｚ近傍の周波数で用いられる。
《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の外観斜視図であり、図１（Ｂ）はアンテナ装置１０１に備える給電コイル３１の導体パターンの平面図である。図２（Ａ）はアンテナ装置１０１の平面図であり、図２（Ｂ）はアンテナ装置１０１の右側面図であり、図２（Ｃ）はアンテナ装置１０１の左側面図である。図１および図２では、図および原理を分かりやすくするために、アンテナ装置１０１の構造を簡略化して図示している。
アンテナ装置１０１は、リング状導体１、給電コイル３１を備える。
リング状導体１は、軸ＡＸ周りに配置されるリング状の導体であり、軸方向（図２（Ａ）におけるＸ方向）に対して垂直の第１縁端部１１および第２縁端部１２を有する。リング状導体１は、第１縁端部１１から内側（図１および図２（Ａ）における右側）に向かって形成される開口部２を有する。本実施形態では、リング状導体１が軸ＡＸ周りに湾曲されており、これが本発明における「軸周りに配置される」リング状導体の一例である。
本実施形態における開口部２は、第１縁端部１１から内側に向かって形成されるスリット部２１と、幅広部２５とを有する。幅広部２５は、第１縁端部１１または第２縁端部１２に隣接しない位置に形成され、周方向（図２（Ｂ）および図２（Ｃ）におけるＣ方向）の幅（図２（Ｂ）および図２（Ｃ）におけるＣ方向の長さ）がスリット部２１と比べて相対的に大きい。また、図２（Ｃ）に示すように、リング状導体１の第２縁端部１２は、周方向に連続している。
給電コイル３１は、スパイラル形状の導体パターンであり、両端部が図示しない給電回路に接続されている。本実施形態における給電コイル３１は、径方向（図２（Ｂ）および図２（Ｃ）における軸ＡＸから離れる方向）に対してリング状導体の外側（図１における手前側）に配置される。給電コイル３１は例えばCu箔であり、ポリイミド（ＰＩ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の樹脂製シートの主面に形成される。
また、図１（Ａ）に示すように、本実施形態における幅広部２５は、径方向から視て、給電コイル３１のコイル開口ＣＨ１と重なる。
図３（Ａ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０１の外観斜視図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図３（Ｃ）はリング状導体１に生じる電流と磁束との関係を示す、アンテナ装置１０１の平面図である。
図３（Ａ）に示すように、給電コイル３１に電流ｉ０が流れた場合、電流ｉ０によってリング状導体１の幅広部２５に電界結合、磁界結合または電磁界結合による電流ｉ１が誘起される。すなわち、給電コイル３１とリング状導体１とが近接する部分で、電流ｉ０によって幅広部２５に、電流ｉ０を打ち消す方向（図３（Ａ）における時計回り）の電流ｉ１が生じる。このとき、縁端効果によりリング状導体１の幅広部２５の縁端の電流密度が高い。幅広部２５はスリット部２１を介してリング状導体１の第１縁端部１１に面している。そのため、幅広部２５に誘起された電流ｉ１は、縁端効果によりスリット部２１の縁端を通じて第１縁端部１１に流れる。
また、給電コイル３１に流れる電流ｉ０によってリング状導体１の第２縁端部１２に電界結合、磁界結合または電磁界結合による電流ｉ２が誘起される。
すなわち、給電コイル３１とリング状導体１とが近接する部分で、電流ｉ０によって第２縁端部１２に電流ｉ０を打ち消す方向（図３（Ａ）における時計回り）に電界結合による電流ｉ２１が生じる。さらに、給電コイル３１に流れる電流ｉ０によって、磁束φ１が生じる。磁束φ１は、リング状導体１の上方（図３（Ｂ）における上側）を通ってリング状導体１の下方（図３（Ｂ）における下側）に回りこむ磁束である。この第２縁端部には、磁束φ１を打ち消す方向（図３（Ｂ）における奥から手前に向かう方向）に磁界結合による電流ｉ２２が生じる。このとき、縁端効果によりリング状導体１の第２縁端部１２の電流密度が高い。
第２縁端部１２に生じる電流ｉ２１，ｉ２２は同相（同位相）であり、両者は重畳（加算）されるため、第２縁端部１２には電流ｉ２（ｉ２１＋ｉ２２）が生じる。なお、第２縁端部１２が給電コイル３１と近接していない場合には、電界結合によって、第２縁端部１２に生じる電流ｉ２１は小さくなる。その場合には、第２縁端部１２に生じる電流ｉ２は、主に磁界結合による電流となる。
以上のように、給電コイル３１がリング状導体１と電界、磁界または電磁界を介して結合するため、リング状導体１が給電コイル３１に対するブースターアンテナとして機能する。
なお、上述の例では、アンテナ装置１０１が送信側アンテナである場合についての作用を説明したが、アンテナの可逆定理（相反定理）により、送受が反転しても成り立つ。すなわち、アンテナ装置１０１が受信側アンテナである場合にも同様に作用する。
本実施形態によれば次のような効果を奏する。
本実施形態では、給電コイル３１がリング状導体１の開口部２と電界結合、磁界結合または電磁界結合するため、リング状導体１が給電コイル３１に対するブースターアンテナとして機能する。そのため、給電コイル３１のみの場合と比べ、アンテナとして機能する実質的なコイル開口が大きくなり、磁束を放射（集磁）する範囲および距離が大きくなることで、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。したがって、大型のアンテナコイルを用いることなく、簡素な構成により通信特性の良いリング型のアンテナ装置を実現できる。
本実施形態において、開口部２は、周方向の幅が相対的に大きい幅広部２５を有し、かつ、給電コイル３１が、幅広部２５と電界結合、磁界結合または電磁界結合する構造である。そのため、給電コイル３１から発生して開口部２を通過する磁束が多くなることにより、給電コイル３１とリング状導体１との結合度が高まる。また、開口部２を設けることにより、給電コイル３１とリング状導体１の第２縁端部１２が近接する領域が広くなるため、給電コイル３１とリング状導体１との結合度が高まる。ブースターアンテナと給電コイル３１との結合度は、ブースターアンテナを介して給電回路が受け取ることのできる電磁エネルギーの量に関わるため、できる限り高くすることが好ましい。したがって、この構成により、結果的に通信特性を良くできる。
本実施形態におけるリング状導体１の第２縁端部１２は、周方向に連続している。そのため、給電コイル３１がリング状導体１の開口部２と電界結合、磁界結合または電磁界結合することにより、第１縁端部１１に流れる電流ｉ１の向きと、第２縁端部１２に流れる電流ｉ２の向きは、同じになる（図３（Ａ）を参照）。そのため、図３（Ｃ）に示すように、湾曲されたリング状導体１を軸方向に通過する磁束φ２が発生する。このように、第１縁端部１１および第２縁端部１２はアンテナとして機能するので、磁束が出入りする実質的なコイル開口の面積は大きくなり、磁束を放射（集磁）する範囲および距離が大きくなることで、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。したがって、通信特性の良いアンテナ装置を実現できる。
次に、いわゆるウェアラブル端末として、通信端末装置にアンテナ装置１０１を備えた場合の効果について説明する。
図４はアンテナ装置１０１を人体の一部に装着した場合において、アンテナ装置１０１に近接させた通信相手側のアンテナコイル４０から発生する磁束φＲ１，φＲ２の様子を示す概念図である。図４では、図および原理を分かりやすくするために、アンテナ装置１０１の構造を簡略化して図示している。
アンテナ装置１０１は、人体の一部が挿通される装着部に設けられる。上記装着部は、例えば指輪等である。そのため、図４に示すように、アンテナ装置１０１のリング状導体１には、指３（人体の一部）が挿通される。この構成により、いわゆるウェアラブル端末として、ＨＦ帯やＵＨＦ帯の通信システムに用いられるアンテナ装置１０１を備える通信端末装置を実現できる。
指３が挿通されたアンテナ装置１０１は、通信相手側のアンテナコイル４０に近接している。図４に示すように、通信相手側のアンテナコイル４０は、Ｙ方向に巻回軸ＡＸ１を有する。また、通信相手側のアンテナコイル４０は、図示しない給電回路に接続されており、電流が流れることによって磁束φＲ１，φＲ２が生じる。
また、人体はおおよそ、皮膚（表皮）は絶縁体、皮下部分は導体とみなすことができる。そのため、図４に示すように、通信相手側のアンテナコイル４０から発生した磁束φＲ１は、リング状導体１に挿通した人体に沿って、大きな磁束のループを描いて第１縁端部１１および第２縁端部１２を出入り（鎖交）するようになる。このように、リング状導体に挿通した人体によって磁路が変化して、通信相手側のアンテナコイルから発生した磁束がリング状導体に鎖交し易くなる。したがって、人体もブースターとして機能し、磁束の放射および集磁が効率良く行われるため、通信相手側のアンテナコイル４０との磁界結合を高めることができ、結果的に通信特性を良くできる。
なお、本実施形態に係るアンテナ装置１０１は、幅広部２５の形状が、径方向から視て、実質的に矩形である例を示したが、この構成に限定されるものではない。幅広部２５の形状は、径方向から視て、円形・楕円形・多角形等、適宜変更可能である。
また、本実施形態に係るアンテナ装置１０１は、給電コイル３１の形状が、径方向から視て、矩形のスパイラル形状の導体パターンである例を示したが、この構成に限定されるものではない。給電コイル３１の形状は、径方向から視て、円形・楕円形・多角形等、適宜変更可能である。なお、その場合には、給電コイル３１とリング状導体１との間の結合度を高めるために、幅広部２５が、径方向から視て、給電コイル３１のコイル開口ＣＨ１と重なることが好ましい。
本実施形態に係るアンテナ装置１０１は、幅広部２５が、径方向から視て、給電コイル３１のコイル開口ＣＨ１と重なる構成を示したが、この構成に限定されるものではない。幅広部２５は、径方向から視て、給電コイル３１のコイル開口ＣＨ１に対して少なくとも一部が重なっていればよい。給電コイル３１の配置は、幅広部２５と電界結合、磁界結合または電磁界結合する機能を有する範囲で適宜変更可能である。
《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の外観斜視図である。図５では、図および原理を分かりやすくするために、アンテナ装置１０２の構造を簡略化して図示している。
第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２は、開口部が幅広部を有していない点が第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なり、径方向から視て、給電コイルの形状が異なる。その他の構成は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と同じである。
以下、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なる部分について説明する。
図５に示すように、アンテナ装置１０２における開口部は、幅広部を有しておらず、第１縁端部１１から内側に向かって形成されるスリット部２２のみ有する。また、アンテナ装置１０２は、給電コイル３２を備える。本実施形態におけるスリット部２２は、径方向から視て、給電コイル３２のコイル開口ＣＨ２と重なる。
このような構成であっても、アンテナ装置１０２は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と基本的な構成は同じであり、アンテナ装置１０１と同様の作用・効果を奏することができる。
なお、本実施形態では、スリット部２２が、径方向から視て、第１縁端部１１から内側に向かって長い矩形状である例を示したが、この構成に限定されるものではない。スリット部２２の形状は、径方向から視て、円形・楕円形・多角形等、適宜変更可能である。なお、その場合には、給電コイル３１とリング状導体１との間の結合度を高めるために、スリット部２２が、径方向から視て、給電コイル３１のコイル開口ＣＨ２と重なることが好ましい。
《第３の実施形態》
図６は、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３の外観斜視図である。図６では、図および原理を分かりやすくするために、アンテナ装置１０３の構造を簡略化して図示している。
第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３は、スリット部２３をさらに備える点が第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なる。その他の構成は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と同じである。
以下、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なる部分について説明する。
アンテナ装置１０３における開口部は、スリット部２１および幅広部２５に加えて、第２縁端部１２から内側（図６における右側）に向かって形成されるスリット部２３を有する。図６に示すように、アンテナ装置１０３における開口部は、第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ構造である。
図７（Ａ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０３の外観斜視図であり、図７（Ｂ）はリング状導体１に生じる電流と磁束との関係を示す、アンテナ装置１０３の平面図である。
図７（Ａ）に示すように、給電コイル３１に電流ｉ０が流れた場合、電流ｉ０によってリング状導体１の幅広部２５に電界結合、磁界結合または電磁界結合による電流ｉ１が誘起される。すなわち、給電コイル３１とリング状導体１とが近接する部分で、電流ｉ０によって幅広部２５に、電流ｉ０を打ち消す方向（図７（Ａ）における時計回り）の電流ｉ１が生じる。このとき、縁端効果によりリング状導体１の幅広部２５の縁端の電流密度が高い。幅広部２５はスリット部２１を介してリング状導体１の第１縁端部１１に面している。そのため、幅広部２５に誘起された電流ｉ１は、縁端効果によりスリット部２１の縁端を通じて第１縁端部１１に流れる。また、幅広部２５はスリット部２３を介してリング状導体１の第２縁端部１２に面している。そのため、幅広部２５に誘起された電流ｉ１は、縁端効果によりスリット部２３を介して第２縁端部１２に流れる。
以上のように、給電コイル３１がリング状導体１と電界、磁界または電磁界を介して結合するため、リング状導体１が給電コイル３１に対するブースターアンテナとして機能する。そのため、給電コイル３１のみの場合と比べ、アンテナとして機能する実質的なコイル開口が大きくなり、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。
なお、本実施形態では、第１縁端部１１に流れる電流ｉ１の向きと、第２縁端部１２に流れる電流ｉ１の向きは、逆向きになる（図７（Ｂ）等を参照）。そのため、図７（Ｂ）に示すように、開口部２５からリング状導体１の第１縁端部１１および第２縁端部１２をそれぞれ通過する磁束φ３，φ４が発生する。したがって、開口部が第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ構成によって、アンテナ装置１０１とはアンテナの指向性が異なるアンテナ装置１０３を実現できる。
なお、本実施形態では、開口部が幅広部２５を有する構成である例を示したが、この構成に限定されるものではなく、スリット部のみで第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ構造であってもよい。
《第４の実施形態》
図８（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４Ａの外観斜視図であり、図８（Ｂ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０４Ａの外観斜視図である。
図９（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４Ｂの外観斜視図であり、図９（Ｂ）は給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を示す、アンテナ装置１０４Ｂの外観斜視図である。図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図９（Ａ）および図９（Ｂ）では、図および原理を分かりやすくするために、アンテナ装置１０４Ａ，１０４Ｂの構造を簡略化して図示している。
第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４Ａ，１０４Ｂは、スリット部２４をさらに備える点が第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なる。その他の構成は、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と同じである。
以下、第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なる部分について説明する。
アンテナ装置１０４Ａのリング状導体１は、図８（Ａ）に示すように、給電コイル３１と電界結合、磁界結合または電磁界結合する開口部２とは別に、第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ開口部（スリット部２４）をさらに有する。
次に、給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を説明する。図８（Ｂ）に示すように、給電コイル３１に電流ｉ０が流れた場合、電流ｉ０によってリング状導体１の幅広部２５に電界結合、磁界結合または電磁界結合による電流ｉ１が誘起される。すなわち、給電コイル３１とリング状導体１とが近接する部分で、電流ｉ０によって幅広部２５に、電流ｉ０を打ち消す方向（図８（Ｂ）における時計回り）の電流ｉ１が生じる。このとき、縁端効果によりリング状導体１の幅広部２５の縁端の電流密度が高い。幅広部２５はスリット部２１を介してリング状導体１の第１縁端部１１に面している。そのため、幅広部２５に誘起された電流ｉ１は、縁端効果によりスリット部２１の縁端を通じて第１縁端部１１に流れる（図８（Ｂ）における第１縁端部１１の上部）。
リング状導体１は第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶスリット部２４を有している。そのため、第１縁端部１１に流れるｉ１は、スリット部２４の縁端を通じて第２縁端部に流れる。第２縁端部１２に流れる電流ｉ１は、スリット部２４の縁端を通じて第１縁端部１１に流れる（図８（Ｂ）における第１縁端部１１の下部）。第１縁端部１１に流れる電流ｉ１はスリット部２１を介して幅広部２５に流れる。
以上のように、給電コイル３１がリング状導体１と電界、磁界または電磁界を介して結合するため、リング状導体１が給電コイル３１に対するブースターアンテナとして機能する。そのため、給電コイル３１のみの場合と比べ、アンテナとして機能する実質的なコイル開口が大きくなり、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。
アンテナ装置１０４Ｂのリング状導体１は、図９（Ａ）に示すように、給電コイル３１と電界結合、磁界結合または電磁界結合する開口部２とは別に、第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ２つの開口部（スリット部２４）をさらに有する。
次に、給電コイル３１に流れる電流とリング状導体１に生じる電流との関係を説明する。図９（Ｂ）に示すように、給電コイル３１に電流ｉ０が流れた場合、電流ｉ０によってリング状導体１の幅広部２５に電界結合、磁界結合または電磁界結合による電流ｉ１が誘起される。すなわち、給電コイル３１とリング状導体１とが近接する部分で、電流ｉ０によって幅広部２５に、電流ｉ０を打ち消す方向（図９（Ｂ）における時計回り）の電流ｉ１が生じる。このとき、縁端効果によりリング状導体１の幅広部２５の縁端の電流密度が高い。幅広部２５はスリット部２１を介してリング状導体１の第１縁端部１１に面している。そのため、幅広部２５に誘起された電流ｉ１は、縁端効果によりスリット部２１の縁端を通じて第１縁端部１１に流れる。
リング状導体１は第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶスリット部２４を有している。そのため、第１縁端部１１に流れるｉ１は、スリット部２４（図９（Ｂ）における上側のスリット部２４）の縁端を通じて第２縁端部に流れる。第２縁端部１２に流れる電流ｉ１は、スリット部２４（図９（Ｂ）における下側のスリット部２４）の縁端を通じて第１縁端部１１に流れる。第１縁端部１１に流れる電流ｉ１はスリット部２１を介して幅広部２５に流れる。
また、スリット部２４の縁端に流れる電流ｉ１によってリング状導体１に電界結合、磁界結合または電磁界結合による電流ｉ２が誘起される。すなわち、スリット部２４によって電気的に隔離され、リング状導体１同士が近接する部分で、電流ｉ１を打ち消す方向の電流ｉ２が生じる。
以上のように、給電コイル３１がリング状導体１と電界、磁界または電磁界を介して結合するため、リング状導体１が給電コイル３１に対するブースターアンテナとして機能する。そのため、給電コイル３１のみの場合と比べ、アンテナとして機能する実質的なコイル開口が大きくなり、通信相手側のアンテナコイルと結合し易くなる。
なお、本実施形態に係るアンテナ装置１０４Ａ，１０４Ｂでは、第１縁端部１１に流れる電流ｉ１の向きと、第２縁端部１２に流れる電流ｉ１の向きは、逆向きになる（図８（Ｂ）および図９（Ｂ）等を参照）。そのため、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３と同様に、開口部２５からリング状導体１の第１縁端部１１および第２縁端部１２をそれぞれ通過する磁束φ３，φ４が発生する（図７（Ｂ）参照）。したがって、給電コイル３１と電界結合、磁界結合または電磁界結合する開口部とは別に、第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ開口部（スリット部２４）をさらに有する構成によって、アンテナ装置１０１とはアンテナの指向性が異なるアンテナ装置１０４Ａ，１０４Ｂを実現できる。
また、本実施形態のアンテナ装置１０４Ａ，１０４Ｂは、スリット部２４を有する構造により、第１縁端部１１および第２縁端部１２が周方向に連続していない。そのため、リング状導体１の設計上の自由度が高められ、ひいては、アンテナ装置１０４Ａ，１０４Ｂを備えた通信端末装置の設計上の自由度も高められる。また、スリット部２４でリング状導体１を分割することにより、リング状導体をBluetooth（登録商標）やWiFi（登録商標）等のＵＨＦ帯やＳＨＦ帯の別の通信システムのアンテナの放射体として用いることができる。
なお、本実施形態におけるアンテナ装置１０４Ｂでは、２つのスリット部２４をさら有する例を示したが、この構成に限定されるものではない。第１縁端部１１と第２縁端部１２とを結ぶ開口部（スリット部２４）の数は適宜変更可能である。
《第５の実施形態》
図１０は第５の実施形態に係る通信端末装置２０１の断面図である。図１０では、図および原理を分かりやすくするために、通信端末装置２０１の構造を簡略化して図示している。
第５の実施形態に係る通信端末装置２０１は、リング状導体１、給電コイル３１、基材層４、磁性体層５、ＲＦＩＣ素子６０、チップキャパシタ７０および封止樹脂６を備える。
基材層４は、樹脂等の絶縁性材料からなる矩形状の平板であり、リング状導体１の内側に沿って貼付される。すなわち、基材層４は、リング状導体１の内側に沿って湾曲されている。基材層４は、例えばＰＥＴ（Poly Ethylene-Terephthalate）シートである。
給電コイル３１は、ポリイミド（ＰＩ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の樹脂製シートの主面に形成されるスパイラル形状の導体パターンであり、リング状導体１に貼付される基材層４の主面とは反対側の主面（図１０における基材層４の上面）に沿って貼付されている。すなわち、給電コイル３１は、リング状導体１の内側に沿って湾曲されている。
磁性体層５は、給電コイル３１の一方の主面（図１０における給電コイル３１の上面）に沿って貼付される。すなわち、磁性体層５は、給電コイル３１の主面に沿って湾曲されている。磁性体層５は、例えば磁性体フェライトセラミックのようなセラミック体層や、磁性体フェライト粉末が樹脂中に分散されたフェライト粉末入り樹脂層である。なお、磁性体層５の平面形状は、適宜変更可能である。
このように、基材層４、給電コイル３１および磁性体層５は、いずれも径方向に対してリング状導体の内側に配置される。リング状導体１、給電コイル３１、基材層４および磁性体層５は、アンテナ装置１０１Ａを構成する。アンテナ装置１０１Ａは、給電コイル３１が径方向に対してリング状導体１の内側に配置され、磁性体層５をさらに備える点で第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１と異なる。
本実施形態に係る通信端末装置２０１は手首に装着される腕輪型の情報端末であり、上記アンテナ装置１０１Ａは、図示しない腕輪のリング部分に設けられる。すなわち、アンテナ装置１０１Ａは、人体の一部が挿通される装着部に設けられる。
ＲＦＩＣ素子６０およびチップキャパシタ７０は、リング状導体１に貼付される基材層４の主面とは反対側の主面（図１０における基材層４の上面）に実装される。上記ＲＦＩＣ素子６０は給電コイル３１の両端に接続され、チップキャパシタ７０は給電コイル３１に並列接続される。これら給電コイル３１とチップキャパシタ７０とＲＦＩＣ素子６０自身が持つ容量成分とでＬＣ共振回路が構成される。チップキャパシタ７０のキャパシタンスは上記ＬＣ共振回路の共振周波数がＲＦＩＤシステムの通信周波数と実質的に等しい周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）となるように選定される。なお、共振周波数設定用のキャパシタは複数個であってもよい。
なお、ＲＦＩＣ素子６０は、ＲＦＩＣチップそのものであってもよいし、ＲＦＩＣチップに整合回路等を一体化したＲＦＩＣパッケージであってもよい。
ＲＦＩＣ素子６０はＨＦ帯ＲＦＩＤシステム用の例えばＨＦ帯の高周波無線ＩＣチップを備える。通信端末装置２０１（つまりＲＦＩＤタグ）をリーダ／ライタ装置に近接させることで、通信端末装置２０１のリング状導体１（ブースターアンテナ）とＲＦＩＤのリーダ／ライタ装置のアンテナコイルとが磁界結合する。このことで、ＲＦＩＤタグとリーダライタ装置との間でＲＦＩＤ通信がなされる。
封止樹脂６は、いずれも径方向に対してリング状導体の内側に形成される。図１０に示すように、リング状導体１、給電コイル３１、基材層４、磁性体層５、ＲＦＩＣ素子６０およびチップキャパシタ７０は、封止樹脂６に埋設される。封止樹脂６は、外部から加わる衝撃や外力等からＲＦＩＣ素子６０やチップキャパシタ７０、給電コイル３１等を保護する。封止樹脂６を備えることにより、ＲＦＩＣ素子６０、チップキャパシタ７０および給電コイル３１との電気的接続の信頼性を高めることができ、通信端末装置２０１の機械的強度を高めることができる。なお、封止樹脂６は、本実施形態に係る構成に限定されるものではない。封止樹脂６の数量、形状、大きさ等は適宜変更可能である。
この構成により、ＨＦ帯やＵＨＦ帯の通信システムに用いられるアンテナ装置を備える通信端末装置を実現できる。
さらに、アンテナ装置１０１Ａは磁性体層５をさらに備える。そのため、磁性体層５の高い透磁率の作用により、給電コイル３１は少ないターン数の導体パターンで所定のインダクタンスが得られる。また、磁性体層５の集磁効果により、通信相手側のアンテナコイルとの磁界結合を高めることができる。さらに、磁性体層５を備える構成により、裏面側の磁気シールド効果も得られる。
また、アンテナ装置１０１Ａは、人体の一部が挿通される装着部に設けられる。そのため、第１の実施形態に示すように、磁束の放射および集磁が効率良く行われる。したがって、通信相手側のアンテナコイルとの磁界結合を高めることができ、結果的に通信特性を良くできる。
また、本実施形態に示すように、給電コイル３１の位置は、径方向に対してリング状導体１の外側に配置される構成に限らず、径方向に対してリング状導体１の内側に配置される構成でもよい。
なお、本実施形態では、基材層４、磁性体層５、ＲＦＩＣ素子６０、チップキャパシタ７０および封止樹脂６の位置を、径方向に対してリング状導体１の内側に配置する例を示したが、この構成に限定されるものではない。基材層４、磁性体層５、ＲＦＩＣ素子６０、チップキャパシタ７０および封止樹脂６の位置は、上述の実施形態に示すように、径方向に対してリング状導体１の外側に配置される構成でもよい。
《第６の実施形態》
図１１（Ａ）は第６の実施形態に係る通信端末装置２０２の平面図であり、図１１（Ｂ）は通信端末装置２０２の右側面図である。図１２は、通信端末装置２０２を手首に装着した状態を示す図である。なお、図１２では手首の図示が省略されている。
通信端末装置２０２は、本体部７、ベルト部８、リング状導体１、および給電コイル３１を備える。本実施形態に係る通信端末装置２０２は、リストバンド型の情報端末である。
リング状導体１は、平面形状が角丸矩形の平板であり、ベルト部８に設けられる。リング状導体１は、図１２に示すように、通信端末装置２０２を手首に装着した状態で、軸周りに湾曲される。つまり、本実施形態におけるリング状導体１は、柔軟性を有する導体である。
給電コイル３１は、リング状導体１の一方の主面（図１１（Ｂ）における右面）に沿って貼付され、本体部７に収納される。そのため、給電コイル３１は、通信端末装置２０１を手首に装着した状態で、径方向に対してリング状導体１の外側（図１２における上側）に配置される。なお給電コイル３１の両端部は、図示しない給電回路に接続されている。
リング状導体１および給電コイル３１は、アンテナ装置１０４Ｃを構成する。アンテナ装置１０４Ｃは、リング状導体１の形状が異なり、かつ、柔軟性を有する導体で構成される点で第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４Ａと異なる。
上述の通り、本実施形態に係る通信端末装置２０２は、手首に装着されるリストバンド型の情報端末であり、アンテナ装置１０４Ｃは、リストバンドの本体部７およびベルト部８に設けられる。すなわち、アンテナ装置１０４Ｃは、人体の一部が挿通される装着部に設けられる。
この構成により、第５の実施形態に係る通信端末装置２０１と同様に、ＨＦ帯やＵＨＦ帯の通信システムに用いられるアンテナ装置を備える通信端末装置を実現できる。
さらに、アンテナ装置１０４Ｃは、人体の一部が挿通される装着部に設けられる。したがって、通信相手側のアンテナコイルとの磁界結合を高めることができ、結果的に通信特性を良くできる。
なお、本発明において「装着部」とは、使用時に人体に装着される構成を言うものであるが、本実施形態に示すように、常に使用時の状態を保っていないリストバンド等も含む。つまり、リング状導体１が湾曲される状態とは、常に軸周りに湾曲された状態であるものに限定されるものではなく、使用時に湾曲されて人体の一部に挿通される態様も含む。
《その他の実施形態》
上述の実施形態では、給電コイル３１が、スパイラル形状の導体パターンである例を示したが、この構成に限定されるものではない。給電コイル３１の構造については、適宜変更可能であり、例えばヘリカル状のコイルであってもよい。
なお、上述の実施形態では、リング状導体１が、軸方向（図２（Ａ）におけるＸ方向）に対して垂直の第１縁端部１１および第２縁端部１２を有する例を示したが、この構成に限定されるものではない。第１縁端部１１および第２縁端部１２は、軸方向（図２（Ａ）におけるＸ方向）に対して垂直でなくてもよく、軸方向（図２（Ａ）におけるＸ方向）成分を有する曲線状に構成されていてもよい。
また、上述の実施形態では、リング状導体１が、軸方向から視て、実質的に円形に湾曲された例を示したが、この構成に限定されるものではない。軸周りに湾曲されるリング状導体１の形状は、軸方向から視て、楕円形・多角形等、適宜変更可能である。なお、リング状導体は全体として軸周りに配置されていればよく、リング状導体が複数の導体で構成されている場合には、リング状導体を構成する各導体が全て曲面状であるものに限定されず、リング状導体を構成する各導体の一部または全部が平面状でもよい。リング状導体は、第１縁端部と第２縁端部とを結ぶスリット部と、平面状に形成された各導体とで構成されていてもよい。また、リング状導体が複数の導体で構成されている場合には、リング状導体を構成する各導体がタイル状またはモザイク状に配置されていてもよい。
また、上述の実施形態では、リング状導体１の周方向に垂直な断面構造が実質的に矩形である例について示したが、この構成に限定されるものではない。リング状導体１の周方向に垂直な断面構造は、楕円形・多角形・蒲鉾形等、適宜変更可能である。同様に、リング状導体１の径方向の厚みについても、適宜変更可能である。すなわち、リング状導体１は、所定の厚みを有する構造でもよく、金属箔のような薄状導体でもよい。
また、リング状導体１の軸方向（図２（Ａ）におけるＸ方向）における幅についても、リング状導体１が給電コイル３１に対するブースターアンテナとして機能するという効果を奏する範囲で適宜変更可能である。
なお、上述の実施形態では、人体の一部が挿通される装着部を備える通信端末装置が、指輪・腕輪・リストバンドである例を示したが、これに限定されるものではない。上記装着部を備える通信端末装置は、例えば腕時計・ブレスレット・イヤリング・ピアス・チョーカー等でもよい。
なお、上記装着部は、人体の一部が挿通される構成に限定されるものではない。すなわち通信端末装置は、例えばペットや家畜の首輪等でもよい。
なお、上述の実施形態では、主にＮＦＣ等の磁界結合を利用した通信システムにおけるアンテナ装置および電子機器について説明したが、上述の実施形態におけるアンテナ装置および電子機器は、磁界結合を利用した非接触電力伝送システム（電磁誘導方式、磁界共鳴方式）でも同様に用いることができる。上述の実施形態におけるアンテナ装置は、例えばＨＦ帯（特に６．７８ＭＨｚまたは６．７８ＭＨｚ近傍）の周波数で使用される磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムにおける受電装置の受電アンテナ装置として適用できる。この場合でも、給電コイル（受電コイル）およびリング状導体は、受電アンテナ装置として機能する。
ＡＸ…軸
ＣＨ１，ＣＨ２…コイル開口
ｉ０，ｉ１，ｉ２，ｉ２１，ｉ２２…電流
φ１，φ２，φ３，φ４，φＲ１，φＲ２…磁束
１…リング状導体
２…開口部
３…指
４…基材層
５…磁性体層
６…封止樹脂
７…本体部
８…ベルト部
１１…第１縁端部
１２…第２縁端部
２１，２２，２３，２４…スリット部
２５…幅広部
３１，３２…給電コイル
４０…通信相手側のアンテナコイル
６０…ＲＦＩＣ素子
７０…チップキャパシタ
１０１，１０１Ａ，１０２，１０３，１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ…アンテナ装置
２０１，２０２…通信端末装置

Claims (7)

  1. 給電コイルと、
    軸周りに配置され、軸方向に第１縁端部および第２縁端部を有するリング状導体と、
    を備え、
    前記リング状導体は、前記第１縁端部から内側に向かって形成される開口部を有し、
    前記開口部は、径方向から視て、前記給電コイルのコイル開口に対して少なくとも一部が重なり、
    前記給電コイルは、前記開口部と電界結合、磁界結合または電磁界結合する、アンテナ装置。
  2. 前記開口部は、前記第１縁端部または前記第２縁端部に隣接しない位置に、周方向の幅が相対的に大きい幅広部を有し、
    前記給電コイルは、前記幅広部と電界結合、磁界結合または電磁界結合する、請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記開口部は、前記第１縁端部と前記第２縁端部とを結ぶ、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
  4. 前記給電コイルと電界結合、磁界結合または電磁界結合する前記開口部とは別に、前記第１縁端部と前記第２縁端部とを結ぶ開口部をさらに有する、請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ装置。
  5. 前記リング状導体の前記第２縁端部は、周方向に連続している、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ装置と、
    前記給電コイルに接続される、または、電界結合、磁界結合または電磁界結合する給電回路と、を備える通信端末装置。
  7. 前記リング状導体は、人体の一部が挿通される装着部に設けられている、請求項６に記載の通信端末装置。
JP2017500305A 2015-02-16 2015-12-25 アンテナ装置および通信端末装置 Active JP6146550B2 (ja)

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