JP6152716B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、近距離無線通信に用いられる薄型アンテナの構造に関するものである。

最近、ＮＦＣ（Near Field Communication）と呼ばれる近距離無線通信機能が搭載された携帯電話の普及が進んでいる。ＮＦＣによるデータ通信では、ユーザが携帯電話をリーダライタに近づける。リーダライタから発せられる信号を携帯電話側のアンテナが受信すると、その誘導起電力によってアンテナに接続されたＩＣが動作し、携帯電話とリーダライタとの間のデータ通信が開始する。ＮＦＣによれば、電子認証、電子決済、その他のデータ通信を容易かつ高速に行うことができる。

ＮＦＣ機能を備えた携帯電話には専用のアンテナが内蔵されている。その一例は、平面スパイラルアンテナである。しかし、平面スパイラルアンテナは指向性が狭いため、アンテナの向きがリーダライタのアンテナと平行でない場合には、カップリング特性が大幅に低下するという問題がある。ユーザが携帯電話をリーダライタにかざす際、携帯電話内のアンテナがリーダライタに対して平行となるように、瞬時かつ正確にかざすことは意外と難しいため、実際の使用時には、アンテナがリーダライタに対してある程度の角度をもつことになる。そのため、カップリング特性の低下を抑制する技術が求められている。

平面スパイラルアンテナの指向性を変える方法として、２つのアンテナを組み合わせる方法が提案されている。たとえば、特許文献１には、第１磁界成分を発生させる第１アンテナと、第１磁界成分と直交する第２磁界成分を発生させる第２アンテナとを備えたループアンテナ装置が開示されている。また、特許文献２には、２つの別々のアンテナの相互干渉を防止するため、磁性体シートのシート本体部の面上にＲＦＩＤ用ループアンテナを形成すると共に、磁性体シートの延長部の周面に導線コイルを巻回することにより、ＡＭアンテナを形成することが記載されている。

特開２００１−３０８６２９号公報 特開２００８−４２７６１号公報

上記のように、平面スパイラルアンテナが内蔵された携帯電話をリーダライタに対して平行にかざした場合には、内蔵されたアンテナもリーダライタに対して平行になるので、通常のデータ通信が可能である。しかし、携帯電話をリーダライタに対して斜めにかざすと、アンテナもリーダライタに対して斜めの角度を持つことになるので、通信品質が大幅に低下するか、あるいは通信できないという問題がある。

したがって、本発明の目的は、通信可能範囲が広く、リーダライタに対してアンテナを斜めにかざしたとしても一定の通信品質を維持することが可能なアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナ装置は、第１方向に回転中心軸を有するソレノイドアンテナ素子と、前記第１方向と直交する第２方向に回転中心軸を有する平面ループアンテナ素子とを備え、前記ソレノイドアンテナ素子の一対の端子は、前記平面アンテナ素子の一対の端子と接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、互いに異なる方向にコイル軸を有するソレノイドアンテナ素子と平面ループアンテナ素子とを組み合わせることで、通信可能範囲を広げることができ、リーダライタに対して斜めにかざしても通信品質が大幅に低下することがない。

本発明によるアンテナ装置は、立体コイルであるソレノイドアンテナ素子と平面コイルである平面ループアンテナ素子とが協働して一つのアンテナとして機能するものである。そのため、アンテナ装置の外部端子はソレノイドアンテナ素子と平面ループアンテナ素子に対して共通に接続されており、２端子構造のアンテナ装置が実現されている。

本発明によるアンテナ装置は、第１基板をさらに備え、前記ソレノイドアンテナ素子は、前記第１基板の一方の主面及び他方の主面を交互に経由してループ状に巻回されたものであることが好ましい。この構成によれば、ソレノイドアンテナ素子が発生させる磁場が平面ループアンテナ素子のループの中心部を通過しやすい。そのため、２つのアンテナ素子の磁場は相互に干渉せず、互いに強め合うことができ、これにより相互インダクタンスを大きくすることができる。したがって、カップリング特性のさらなる向上を図ることができる。

本発明において、前記第１基板は磁性基板であることが好ましい。これによれば、ソレノイドアンテナ素子のインダクタンスを向上させることができ、アンテナ全体のカップリング特性をさらに高めることができる。

本発明において、前記平面ループアンテナ素子は、前記ソレノイドアンテナ素子の上方において部分的に重なるように設けられており、前記ソレノイドアンテナ素子の回転軸方向の終端部は、前記平面ループアンテナ素子の中空部と重なる位置または前記中空部の外側に配置されていることが好ましい。また、前記平面ループアンテナ素子は、前記ソレノイドアンテナ素子と平面視にて重ならないように設けられており、前記ソレノイドアンテナ素子の前記回転中心軸方向の終端部は、前記平面ループアンテナ素子の中空部の外側に配置されてもよい。この構成では、ソレノイドアンテナ素子に対する平面ループアンテナ素子の平面方向の位置がずれていることから、ソレノイドアンテナ素子が発生させる磁場がループの中心部を通過しやすくなり、両者が互いの磁場を強め合うことができ、インダクタンスを向上させることができる。

本発明において、前記第１基板がフレキシブルプリント基板からなり、前記平面ループアンテナ素子は前記フレキシブルプリント基板の表面に形成されており、前記ソレノイドアンテナ素子は、フレキシブルプリント基板を折り返して前記フレキシブルプリント基板の表面に形成された複数の直線パターンがループ状に連結されてなるものであることが好ましい。この構成によれば、フレキシブルプリント基板を使用した斬新な構造のアンテナ装置を提供することができる。

本発明において、実装面側から見て前記ソレノイドアンテナ素子は前記ループアンテナ素子の上方に位置することが好ましい。この構成によれば、実装面の上方に配置された金属面に対して、前記ソレノイドアンテナ素子のほうがループアンテナ素子よりも近づけることができる。

本発明において、前記第１基板は多層基板であり、前記ソレノイドアンテナ素子は、前記第１基板の内層に設けられていることが好ましい。この構造によれば、１枚の基板上に２つのアンテナ素子を構成することができ、小型化及び高密度実装が可能となる。

本発明によるアンテナ装置は、前記ソレノイドアンテナ素子及び前記平面ループアンテナ素子と対向する金属板をさらに備え、前記平面ループアンテナ素子は、前記ソレノイドアンテナ素子と平面視にて重ならないように設けられており、かつ前記ソレノイドアンテナ素子よりも前記金属体の端部寄りに位置していることが好ましい。平面ループアンテナ素子の近くに金属板が存在するような場合には、金属板に発生する渦電流の影響によって平面ループアンテナの特性が低下しやすい。しかしこの構成によれば、平面ループアンテナが受ける渦電流の影響を低減することができ、アンテナ装置の特性の低下を防止することができる。

本発明によるアンテナ装置は、前記ソレノイドアンテナ素子の中空部を貫通するように設けられた磁性体をさらに備え、前記磁性体は、前記平面ループアンテナ素子の形成領域にまで延設されており、当該平面ループアンテナ素子と平面視にて重なる部分を有することが好ましい。この構成によれば、ソレノイドアンテナ素子のインダクタンスを高めることができるだけでなく、近くに金属板が存在することで渦電流が発生するような場合であっても平面ループアンテナ素子の特性の低下を防止することができる。

本発明において、前記フレキシブルプリント基板は、前記ソレノイドアンテナ素子の前記回転中心軸方向において互いに隣接する第１及び第２領域と、前記回転中心軸方向と直交する方向において前記第２領域と隣接する第３領域とを有し、前記平面ループアンテナ素子は前記第１領域に形成されており、前記ソレノイドアンテナ素子は前記第２及び第３領域に形成されており、前記第３領域は前記第２領域と重なるように折り返されることにより前記複数の直線パターンがループ状に連結されていることが好ましい。さらに、前記フレキシブルプリント基板は、前記ソレノイドアンテナ素子の前記回転中心軸方向において互いに隣接する第１及び第２領域と、前記回転中心軸方向において前記第２領域と隣接する第３領域とを有し、前記平面ループアンテナ素子は前記第１領域に形成されており、前記ソレノイドアンテナ素子は前記第２及び第３の領域に形成されており、前記第３領域は前記第２領域と重なるように折り返されることにより前記複数の直線パターンがループ状に連結されていることもまた好ましい。これらの構成によれば、折り返し構造のフレキシブルプリント基板を用いたアンテナ装置を容易に実現することができる。

本発明によれば、リーダライタに対して斜めの角度を持って近接させても通信品質が大幅に低下することのないアンテナ装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略分解斜視図である。 図２は、図１のアンテナ装置の完成状態を示す斜視図である。 図３は、アンテナ装置１０をプリント基板上に実装した状態を示す略平面図である。 図４は、図３のアンテナ装置１０をリーダライタにかざした状態を示す模式図である。 図５は、本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置２０の構造を示す略平面図である。 図６（ａ）〜（ｄ）は、２つのアンテナ素子のループの向きの関係を示す略平面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置３０の構造を示す図であって、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は略側面断面図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、アンテナ装置の作用について説明するための模式図である。 図９は、本発明の第４の実施形態によるアンテナ装置４０の構造を示す略平面図であって、展開した状態を示すものである。 図１０は、本発明の第５の実施形態によるアンテナ装置５０の構造を示す略平面図である。 図１１は、アンテナ装置５０の実装形態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は略断面図である。 図１２は、本発明の第６の実施形態によるアンテナ装置６０の構造を示す略平面図であって、展開した状態を示すものである。 図１３は、本発明の第７の実施形態によるアンテナ装置７０の構造を示す略斜視図である。 図１４は、磁界強度分布を示す図であって、（ａ）は比較例、（ｂ）は実施例を示している。 図１５は、平面スパイラルアンテナ素子とソレノイドアンテナ素子との位置関係を少しずつずらしたときのカップリングロスを示すグラフである。

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

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略分解斜視図である。また、図２は、図１のアンテナ装置の完成状態を示す斜視図である。

図１に示すように、アンテナ装置１０は、基板１と、基板１の一方の主面（上面）に形成された平面スパイラルアンテナ素子２と、基板３と、基板３の一方の主面（上面）３ａ及び他方の主面（底面）３ｃを交互に経由してループ状に巻回されたソレノイドアンテナ素子４とを備えている。

基板１（第２基板）は、平面スパイラルアンテナ素子２の支持基板であり、またソレノイドアンテナ素子４が設けられた基板３の実装面としても機能する。特に限定されないが、基板１は取り扱いが容易な矩形基板であることが好ましい。基板１は絶縁基板であればよく、磁性基板であってもよい。磁性基板によれば、ソレノイドアンテナ素子４に対して透磁率の高い磁路を提供することができ、インダクタンスを向上させることができる。

平面スパイラルアンテナ素子２は、基板１の上面に形成されたスパイラル形状の導体パターンからなり、スパイラルパターンの外周端には端子２ａ、内周端には端子２ｂがそれぞれ設けられている。スパイラルパターンの回転中心軸は、基板１に垂直なＺ方向（第２方向）である。平面スパイラルアンテナ素子２は、ループサイズができるだけ大きくなるように、基板１の外周に沿って形成されている。

基板３（第１基板）は、ソレノイドアンテナ素子４の支持基板であり、また平面スパイラルアンテナ素子２に対しては下層の金属面（グランド面）の影響を防止する役割を果たすものである。基板３の形状も特に限定されないが、基板１と整合する矩形であることが好ましい。基板３は磁性体であることが好ましい。これによれば、ソレノイドアンテナ素子４のインダクタンスを大きくすることができ、そのアンテナ利得を向上させることができる。

ソレノイドアンテナ素子４は、基板３の一方の主面（上面）３ａ、端面３ｂ、他方の主面（底面）３ｃ、端面３ｄを順に経由する略ヘリカル形状の導体パターンからなり、ヘリカルパターンの両端には端子４ａ，４ｂがそれぞれ設けられている。ヘリカルパターンの回転中心軸は、基板３の端面３ｂ、３ｄと平行なＸ方向（第１方向）である。すなわち、ソレノイドアンテナ素子４の回転中心軸（輻射軸）は、平面スパイラルアンテナ素子２の回転中心軸（輻射軸）と直交している。

図２に示すように、ソレノイドアンテナ素子４が形成された基板３は、平面スパイラルアンテナ素子２が形成された基板１上に重ねて設けられる。平面スパイラルアンテナ素子２の一方の端子２ａとソレノイドアンテナ素子４の一方の端子４ａは、アンテナ装置１０の一対の外部端子を構成している。また、平面スパイラルアンテナ素子２の他方の端子２ｂは引出導体５ｂを介してソレノイドアンテナ素子４の他方の端子４ｂに接続されている。このように、本実施形態によるアンテナ装置１０は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４の直列接続構造を有している。

上記のアンテナ装置１０は例えば携帯電話に内蔵されるが、好ましくは、携帯電話の筐体の裏面に貼り付けられる。また他の実装形態では、携帯電話のバッテリーの表面に貼り付けられてもよい。さらに、携帯電話を構成する回路や部品が実装されたプリント基板上に設けられてもよい。いずれの場合においても、携帯電話をリーダライタにかざした時に、ソレノイドアンテナ素子４よりも平面スパイラルアンテナ素子２のほうがリーダライタに近づくように構成する必要がある。

上記のソレノイドアンテナ素子４は、配線パターンとスルーホール導体との組み合わせで構成されるものであってもよい。この場合、図１における基板３の端面３ｂ、３ｄの導体パターンが、基板３を貫通するスルーホール導体に置き換えられる。基板３を多層構造とした場合には、その内層に配線パターンを形成して外表面に配線パターンが表れない構成とすることもできる。

図３は、アンテナ装置１０をプリント基板上に実装した状態を示す略平面図である。

図３に示すように、アンテナ装置１０は、携帯電話を構成する回路や部品が実装されたプリント基板７上に実装され、２つのアンテナ素子はプリント基板７の主面と平行に設けられている。図示のように、アンテナ装置１０は、プリント基板７の長手方向の一端寄り（上端部側）に設けられることが好ましい。ユーザが携帯電話の下端部を手にした状態でリーダライタに対して斜めにかざしたときに、アンテナ装置１０をリーダライタに近接させやすいからである。

図４は、図３のアンテナ装置１０をリーダライタにかざした状態を示す模式図である。

図４に示すように、アンテナ装置１０を使用した近距離無線通信では、まずアンテナ装置１０をリーダライタ９に近接させる。このとき、プリント基板７の一方の主面側に設けられたアンテナ装置１０をリーダライタ９と対向させているので、アンテナ装置１０は図中のプリント基板７の裏面側にある。なお、プリント基板７の他方の主面側には多くの場合、グランド面７ａが設けられている。図示のように、アンテナ装置１０をリーダライタ９に近接させることにより、アンテナ装置１０を備えた携帯電話とリーダライタ９との間でのデータ通信が実現される。

ここで、図示のようにプリント基板７がリーダライタ９と平行であれば問題ないが、プリント基板７がリーダライタ９に対して斜めに向いていると、アンテナ装置１０も斜めの向きとなるので、従来のアンテナ装置であればカップリング特性が低下することになる。しかし、本実施形態によるアンテナ装置１０は、互いに異なる指向性を持つ平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４との組み合わせからなり、２つのアンテナ素子に基づく合成指向性となるので、アンテナの指向性を広くすることができ、リーダライタに対するカップリング特性の低下を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置１０は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とを組み合わせからなる複合アンテナであり、基板３から見てソレノイドアンテナ素子４の上方に平面スパイラルアンテナ素子２が設けられており、実際の使用時には、平面スパイラルアンテナ素子２がソレノイドアンテナ素子４よりもリーダライタ９側に近い配置となるようにしているので、従来の平面スパイラルアンテナ素子のみからなるものよりも指向性の広いアンテナを実現することができる。したがって、通信可能範囲が広く、リーダライタ９に対して斜めにかざしたとしても一定の通信品質を維持することが可能となる。

図５は、本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置２０の構造を示す略平面図である。

図５に示すように、このアンテナ装置２０（２０Ａ，２０Ｂ）の特徴は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが部分的に重なり合っており、平面スパイラルアンテナ素子２の平面方向の位置がソレノイドアンテナ素子４の輻射軸方向にずれている点にある。

ここで、図５（ａ）は、ソレノイドアンテナ素子４に対する平面スパイラルアンテナ素子２の平面方向の位置がプリント基板７の中心方向にずれており、図５（ｂ）はその逆で、平面スパイラルアンテナ素子２に対するソレノイドアンテナ素子４の平面方向の位置がプリント基板７の中心方向にずれている。そして図５（ａ）、（ｂ）のどちらも、ソレノイドアンテナ素子４の回転軸（コイル軸）方向の終端部Ｐは、平面スパイラルアンテナ素子２の中空部と重なる位置に配置されている。

このように、ソレノイドアンテナ素子４の輻射軸方向の端部Ｐは、平面視にて平面スパイラルアンテナ素子２のループ内に位置しているため、ソレノイドアンテナ素子４が発生させる磁場がスパイラルのループの中心部を通過しやすい。そのため、２つのアンテナ素子の磁場は相互に干渉せず、互いに強め合うことができ、これにより相互インダクタンスを大きくすることができる。したがって、第１の実施形態によるアンテナ装置１０が有する発明の効果に加えて、カップリング特性のさらなる向上を図ることができる。なお、第２の実施形態によるアンテナ装置２０（２０Ａ，２０Ｂ）の面積は第１の実施形態によるアンテナ装置よりも少し大きくなるが、２つのアンテナ素子が平面的に全く重ならない場合（図７参照）に比べてアンテナ装置の小型化が可能である。そして上記のように、第１の実施形態に比べてカップリング特性を改善することができる。

図６（ａ）〜（ｄ）は、２つのアンテナ素子のループの向きの関係を示す略平面図である。

図６（ａ）のアンテナ装置は、平面スパイラルアンテナ素子２がソレノイドアンテナ素子４の磁界の向きの前方側に配置されており、内周端がソレノイドアンテナ素子４の後端側の端子に、また外周端がソレノイドアンテナ素子４の先端側の端子にそれぞれ接続されている。さらに、内周端から外周端に向かって反時計回りのスパイラルを構成している。一方、図６（ｂ）のアンテナ装置は、平面スパイラルアンテナ素子２の内周端から外周端に向かって時計回りのスパイラルを構成している点のみが図６（ａ）と異なっている。

図６（ｃ）のアンテナ装置は、平面スパイラルアンテナ素子２がソレノイドアンテナ素子４の磁界の向きの後方側に配置されており、この点は（ａ）のアンテナ装置と異なっている。その他の構成は、（ａ）のアンテナ装置と同じである。つまり、平面スパイラルアンテナ素子２の内周端はソレノイドアンテナ素子４の後端側の端子に、また外周端はソレノイドアンテナ素子４の先端側の端子にそれぞれ接続されている。さらに、内周端から外周端に向かって反時計回りのスパイラルを構成している。一方、図６（ｄ）のアンテナ装置は、平面スパイラルアンテナ素子２の内周端から外周端に向かって時計回りのスパイラルを構成している点のみが図６（ｃ）と異なっている。

このように、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４をずらして重ねる場合、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４が重なる部分の中で、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４のパターンが平行になる箇所（破線の楕円Ｒで示す部分）において、平面スパイラルアンテナ素子２に流れる電流の方向とソレノイドアンテナ素子４に流れる電流の方向が一致するほうが好ましい。図６においては、（ａ）及び（ｃ）がこの構成に該当している。（ｂ）及び（ｄ）のように電流が逆向きだと互いの電流で発生する磁場が打ち消し合うが、電流が同じ向きであれば磁場の打ち消し合いがないので、カップリング特性が向上するものと考えられる。

図７は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置３０の構造を示す図であって、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は略側面断面図である。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、このアンテナ装置３０の特徴は、平面スパイラルアンテナ素子２がソレノイドアンテナ素子４と平面視にて重ならないように隣接して設けられている点にある。そして、ソレノイドアンテナ素子４の回転中心軸方向の終端部は、平面スパイラルアンテナ素子２の中空部の外側に配置されている。その他の構成は第２の実施形態によるアンテナ装置２０と実質的に同一である。このように、本実施形態によるアンテナ装置３０は、アンテナ装置２０と同様、カップリング特性を改善することができる。

図８（ａ）〜（ｄ）は、アンテナ装置の作用について説明するための模式図である。ここで、図８（ａ）、（ｃ）は、リーダライタ９の中心とアンテナ装置の中心が同じ位置である場合を示しており、図８（ｂ）、（ｄ）は、アンテナ装置の中心がリーダライタの中心からずれている場合を示している。また、図８（ａ）、（ｄ）は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが完全に重なり合うアンテナ装置１０を用いた場合を示しており、図８（ｂ）、（ｃ）は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが重ならないアンテナ装置３０を用いた場合を示している。なお、アンテナ装置３０に代えて第２の実施形態によるアンテナ装置２０を用いた場合の作用も同様である。

図８（ａ）、（ｃ）に示すように、リーダライタ９の中心とアンテナ装置１０、２０の中心が同じ位置であるときのカップリング特性は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが完全に重なっているアンテナ装置１０を用いた図８（ａ）の条件のほうがよい。平面スパイラルアンテナ素子２がリーダライタ９による垂直方向の磁束を捉えることができるからである。

しかし、図８（ｂ）、（ｄ）に示すように、アンテナ装置１０、２０の中心がリーダライタ９の中心からずれているときのカップリング特性は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが重ならないアンテナ装置３０を用いた図６（ｂ）の条件のほうがよくなる傾向にある。図示のように、リーダライタ９の中心付近では、垂直方向の磁束を受けるのはスパイラル部分だけだが、リーダライタ９の中心付近からずれていると、磁束の向きは垂直方向から水平方向に近くなってくるため、ソレノイド部分で効率的に磁束を捉えることができるからである。

アンテナ装置をリーダライタ９に近づけるとき、アンテナ装置の中心がリーダライタ９の中心と一致しない図６（ｂ）、（ｄ）の位置関係になることが多い。この場合、平面スパイラルアンテナ素子２がソレノイドアンテナ素子４と重ならないアンテナ装置３０（図６（ｂ））を用いることにより、カップリング特性を向上させることができる。

図９は、本発明の第４の実施形態によるアンテナ装置４０の構造を示す略平面図であって、展開した状態を示すものである。

図９に示すように、このアンテナ装置４０の特徴は、一枚のフレキシブルプリント基板３１上に２つのアンテナ素子２，４を形成している点にある。フレキシブルプリント基板３１（第１基板）の一方の主面（上面）には、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４がそれぞれ設けられている。すなわち、図９の状態では、２つのアンテナ素子は同一平面上に設けられている。

図９のソレノイドアンテナ素子４は展開された状態であり、ソレノイド形状（ヘリカル形状）になっていないが、フレキシブルプリント基板３１を破線Ｘ−Ｘ'線の位置で折り曲げて、平面スパイラルアンテナ素子２の２本の隣接する直線パターンの端部同士を接続する。例えば、直線パターンＬＮ１の一方の端部ｅ１と、直線パターンＬＮ２の他方の端部ｅ２が接続される。この折り曲げ加工により、多数の直線パターンがループ状に連結されてなるソレノイドパターンが形成される。破線Ｘ−Ｘ'線の位置で折り返されたフレキシブルプリント基板３１の間には、磁性基板を設けることができる。磁性基板を設けた場合には、ソレノイドアンテナ素子４の特性を向上させることができる。

平面スパイラルアンテナ素子２の外周端２ａはアンテナ装置の一方の外部端子Ｔ１を構成している。また、ソレノイドアンテナ素子４の一端はアンテナ装置の他方の外部端子Ｔ２を構成している。さらに、平面スパイラルアンテナ素子２の内周端２ｂは、フレキシブルプリント基板３１を貫通するスルーホール導体を介して他方の主面（裏面）に設けられた破線で示す引出導体５ｂの一端に接続されており、引出導体５ｂの他端Ｔ０はソレノイドアンテナ素子４の他端に接続されている。フレキシブルプリント基板３１は破線Ｙ−Ｙ'線の位置でも折り曲げられ、図中の３つの端子Ｔ０はすべて接続される。つまり、ソレノイドアンテナ素子４を構成する直線パターンＬＮｎの一端ｅｎは、引出導体５ｂを介して平面スパイラルアンテナ素子２の内周端２ｂに接続される。

このように、本実施形態によるアンテナ装置４０は、第１の実施形態と同様、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが並列接続された回路構成を実現することができる。また特に、フレキシブルプリント基板３１を使用した斬新な構造のアンテナ装置を提供することができる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置４０は、フレキシブルプリント基板を折り返して端子どうしを接続するだけで、平面スパイラルアンテナ素子とソレノイドアンテナ素子との組み合わせからなるアンテナ装置を簡単に構成することができる。

図１０は、本発明の第５の実施形態によるアンテナ装置５０の構造を示す略平面図であって、展開した状態を示すものである。

図１０に示すように、このアンテナ装置５０は、図７に示したアンテナ装置３０の特徴と図９に示したアンテナ装置４０の特徴とを組み合わせものであり、一枚のフレキシブルプリント基板３１上に形成された平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが平面視にて互いに重なり合わないように配置されている点にある。

フレキシブルプリント基板３１の一方の主面には平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４がそれぞれ設けられている。フレキシブルプリント基板３１は略Ｌ字状の基板であり、平面スパイラルアンテナ素子２の形成領域である第１領域Ｓａと、ソレノイドアンテナ素子４の形成領域である第２領域Ｓｂおよび第３領域Ｓｃとを有している。第１〜第３領域Ｓａ，Ｓｂ、Ｓｃはいずれも矩形領域であり、第２領域Ｓｂは第１領域ＳａとＸ方向に隣接しており、第３領域Ｓｃは第２領域ＳｂとＹ方向に隣接している。

図示のフレキシブルプリント基板３１は展開された状態であり、ソレノイドアンテナ素子４はソレノイド形状（ヘリカル形状）になっていないが、フレキシブルプリント基板３１を一点鎖線で示すＸ_１−Ｘ_１'線の位置でＹ方向に折り返すことで多数の直線パターン５７がループ状に連結され、これによりソレノイドパターンが形成される。フレキシブルプリント基板３１はＸ方向には折り曲げられてないので、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４は互いに重なることなくＸ方向に隣接したレイアウトのままである。

平面スパイラルアンテナ素子２のスパイラルパターン５１の内周端は、第１スルーホール導体５２、フレキシブルプリント基板３１の他方の主面に形成された第１引き出し導体５３、第２スルーホール導体５４、フレキシブルプリント基板３１の一方の主面に形成された第２引き出し導体５５を介してアンテナ装置５０の一方の外部端子５６ａに接続されている。またソレノイドアンテナ素子４の一端は、アンテナ装置５０の他方の外部端子５６ｂに接続されている。平面スパイラルアンテナ素子２の外周端はソレノイドアンテナ素子４の他端と切れ目なく連続的に形成されている。

フレキシブルプリント基板３１の第３領域ＳｃはＸ_１−Ｘ_１'線の位置でＹ方向に折り返されることで第２領域Ｓｂと重なり合う。上下のフレキシブルプリント基板３１，３１間には磁性体５８が設けられている。磁性体５８はソレノイドアンテナ素子４の中空部を貫通する磁性コアであり、ソレノイドアンテナ素子４のインダクタンスを高めることができる。磁性体５８は平面スパイラルアンテナ素子２の形成領域（第１領域Ｓａ）にまで延設されており、平面スパイラルアンテナ素子２と重なりを有している。この構成によれば、以下に示す金属板の存在による渦電流損の影響を抑えることができ、特に、平面スパイラルアンテナ素子２が金属板の中央部に配置されて渦電流の影響が大きい場合に有効である。

図１１は、アンテナ装置５０の実装状態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は略断面図である。

図１１に示すように、アンテナ装置５０は例えば携帯電話の筐体の裏面に貼り付けられ、あるいは携帯電話のバッテリーの表面に貼り付けられる。そしてアンテナ装置５０の実装面側には、例えばバッテリーケースやシールドカバーなどの金属板５９が存在している。金属板５９はアンテナ装置５０が実装される回路基板上の導体パターン（グランドパターン、フローティングパターン等）であってもよい。金属板５９は略矩形の平面形状を有し、ソレノイドアンテナ素子４は金属板５９の中央寄りに設けられており、平面スパイラルアンテナ素子２はソレノイドアンテナ素子４よりも金属板５９の端部寄りに設けられている。

上記のように、アンテナ装置５０の実装面側にこのような金属板５９が存在していると、金属板５９を貫く磁束によって金属板５９中に渦電流が発生し、さらにこの渦電流によって発生する磁界がアンテナ装置５０の通信特性を悪化させる要因となる。ここで、ソレノイドアンテナ素子４が発生させる磁束の向きは金属板５９と平行な方向であり、金属板５９を貫く磁束は少ないため、渦電流損も比較的少ない。一方、平面スパイラルアンテナ素子２が発生させる磁束の向きは金属板５９と垂直な方向であり、金属板５９を貫く磁束は多いため、渦電流損が顕著である。

そこで本実施形態においては、平面スパイラルアンテナ素子２をソレノイドアンテナ素子４よりも金属板５９の中心点Ｃ０から遠く離れた位置に配置している。この構成によれば、渦電流の影響を抑えることができ、所望の通信品質を確保することができる。特に、ソレノイドアンテナ素子４の中空部に配置した磁性体５８を平面スパイラルアンテナ素子２の形成領域にまで延設させない構成や、ソレノイドアンテナ素子４の中空部に磁性体５８を配置しない構成においては渦電流の影響を受けやすいので、本実施形態によるアンテナ装置の実装形態は特に有効である。

上述したように、磁性体５８が平面スパイラルアンテナ素子２の形成領域（第１領域Ｓａ）にまで延設されている場合には、平面スパイラルアンテナ素子２と金属板５９との間の磁性体５８が存在し、磁性体５８が金属板５９に向かう磁束を遮るので、渦電流の発生を防止することができる。したがって、平面スパイラルアンテナ素子４を金属板５９の中央寄りに配置する場合においても渦電流損を抑えることができる。

図１２は、本発明の第６の実施形態によるアンテナ装置６０の構造を示す略平面図であって、展開した状態を示すものである。

図１２に示すように、このアンテナ装置６０は、第５の実施形態によるアンテナ装置５０の変形例であって、フレキシブルプリント基板３１の折り返しの向きが異なるものである。本実施形態において、フレキシブルプリント基板３１はＸ方向に細長い矩形状の基板であり、第１〜第３領域Ｓａ，Ｓｂ、Ｓｃはいずれも矩形領域であり、第２領域Ｓｂは第１領域ＳａとＸ方向に隣接しており、第３領域Ｓｃは第２領域ＳｂとＸ方向に隣接している。

図示のフレキシブルプリント基板３１は展開された状態であり、ソレノイドアンテナ素子４はソレノイド形状（ヘリカル形状）になっていないが、フレキシブルプリント基板３１を一点鎖線で示すＹ_１−Ｙ_１'線の位置でＸ方向に折り返すことで多数の直線パターン５７がループ状に連結され、これによりソレノイドパターンが形成される。第５の実施形態と同様、フレキシブルプリント基板３１は平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４との境界位置でＸ方向には折り曲げられてないので、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４は互いに重なることなくＸ方向に隣接したレイアウトのままである。

第５の実施形態の場合、一つのループが一本の直線パターン５７により形成され、互いに隣接する一方の直線パターンの一端と他方の直線パターンの他端とを接続するだけでソレノイドパターンを形成することが可能である。しかし、本実施形態においては、一つのループが二本の直線パターン５７の組み合わせにより形成され、第３領域Ｓｃの直線パターン５７の両端を第２領域Ｓｂの直線パターン５７の対応する端部に接続する必要がある。

フレキシブルプリント基板３１の第３領域ＳｃはＹ_１−Ｙ_１'線の位置でＸ方向に折り返されることで第２領域Ｓｂと重なり合う。上下のフレキシブルプリント基板３１，３１間には磁性体５８が設けられている。磁性体５８はソレノイドアンテナ素子４の中空部を貫通する磁性コアであり、ソレノイドアンテナ素子４のインダクタンスを高めることができる。磁性体５８は平面スパイラルアンテナ素子２の形成領域（第１領域Ｓａ）にまで延設されており、平面スパイラルアンテナ素子２と重なりを有している。この構成によれば、金属板５９の存在による渦電流損の影響を抑えることができ、特に、平面スパイラルアンテナ素子２が金属板５９の中央部に配置されて渦電流の影響が大きい場合に有効である

本実施形態によるアンテナ装置６０の完成状態の構造は、第５の実施形態によるアンテナ装置５０と実質的に同じである。したがって、アンテナ装置６０を例えば携帯電話の筐体内に実装する場合には、図１１に示した実装形態を採用することが好ましい。すなわち、アンテナ装置５０の実装面側に金属板５９が存在する場合には、ソレノイドアンテナ素子４を金属板５９の中央寄りに設け、平面スパイラルアンテナ素子２を金属板５９の端部寄りに設けることが好ましい。

図１３は、本発明の第７の実施形態によるアンテナ装置７０の構造を示す略斜視図である。

図１３に示すように、このアンテナ装置７０の特徴は、基板１（第１基板）が多層構造であり、絶縁層４ａ〜４ｄの積層体からなる基板１の一方の主面に平面スパイラルアンテナ素子２が形成され、多層基板の主面から内層にかけて連続的に形成された配線によりソレノイドアンテナ素子４が形成されている点にある。基板１にはスルーホール導体が形成され、上下の配線の端部どうしがスルーホール導体を介して接続されることにより、ループ状の配線が構成されている。

本実施形態によるアンテナ装置７０も、回転中心軸が互いに直交する平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とを組み合わせた複合アンテナからなるので、従来の平面スパイラルアンテナ素子のみからなるものよりも指向性の広いアンテナを実現することができる。したがって、通信可能範囲が広く、リーダライタに対してアンテナを斜めにかざしたとしても一定の通信品質を維持することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記各実施形態において、アンテナ装置が携帯電話に搭載されているが、本発明によるアンテナ装置は、携帯電話以外の無線通信機器など、様々な機器に搭載可能である。

また、上記実施形態においては、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４とが直列接続された構造を挙げたが、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４の並列接続された構造であってもよい。

また、上記実施形態においては複数ターンのループパターンからなる平面スパイラルアンテナ素子を用いているが、本発明は複数ターンのループパターンに限定されず、少なくとも３／４ターンのループパターンからなる平面スパイラルアンテナ素子であればよい。このような１ターン以下のスパイラルパターンは、スパイラルパターンというよりもむしろ単なるループパターンであり、平面ループアンテナ素子である。

（実施例１）
アンテナ装置のカップリングシミュレーションを実施した。アンテナ装置はプリント基板上に実装し、実装面と反対側の面（裏面）の全面にはグランド電極を形成した。プリント基板はリーダライタに対して４５°の角度で設置した。

図１４は、磁界強度分布を示す図であって、（ａ）は比較例、（ｂ）は実施例を示している。なお、比較例のアンテナ装置は、平面スパイラルアンテナ素子２のみからなるものである。

図１４から明らかなように、実施例に示すアンテナ装置の磁場強度は、比較例よりも広い範囲で強く、リーダライタに対して強い磁場を供給できていることが分かった。
（実施例２）
図１５は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４との位置関係を少しずつずらしたときのカップリングロスを示すグラフである。ここで、（ａ）及び（ｅ）は比較例であって、平面スパイラルアンテナ素子２のみからなるアンテナ装置の特性を示すものであり、両者の値は同じである。（ｂ）及び（ｆ）は、平面スパイラルアンテナ素子２とソレノイドアンテナ素子４の平面位置がずれていないときの特性を示すものであり、両者の値は同じである。

（ｃ）及び（ｄ）は、ソレノイドアンテナ素子４の平面位置が（ｂ）の場合よりも下方向にずらしたときの特性を示すものである。また、（ｇ）及び（ｈ）は、平面スパイラルアンテナ素子２の平面位置が（ｆ）の場合よりも下方向にずらしたときの特性を示すものである。

図１５に示すように、比較例（（ａ）、（ｃ）参照）によるアンテナ装置のカップリングロスはー３３ｄＢと非常に大きい。これに対し、実施例によるアンテナ装置のカップリングロスは−２６ｄＢ以上となり、カップリングロスが改善されていることが分かった。

ここで、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）を比較すると、ソレノイドアンテナ素子４の平面位置をずらした（ｃ）及び（ｄ）のカップリングロスは、平面位置をずらさない（ｂ）よりも改善することが分かった。また（ｃ）と（ｄ）との間の差はほとんどなかった。

また、（ｆ）、（ｇ）及び（ｈ）を比較すると、平面スパイラルアンテナ素子２の平面位置をずらした（ｇ）及び（ｈ）のカップリングロスは、平面位置をずらさない（ｆ）よりも改善することが分かった。また（ｇ）と（ｈ）との間の差はほとんどなかった。

さらに、（ｃ）、（ｄ）、（ｇ）及び（ｈ）を比較すると、ソレノイドアンテナ素子４の平面位置をずらした（ｃ）及び（ｄ）のカップリングロスのほうが、平面スパイラルアンテナ素子２の平面位置をずらした（ｇ）及び（ｈ）のカップリングロスよりも改善していることが分かった。

１ 基板
２ 平面スパイラルアンテナ素子
２ａ 平面スパイラルアンテナ素子の一方の端子（外周端）
２ｂ 平面スパイラルアンテナ素子の他方の端子（内周端）
３ 基板
３ａ 基板の一方の主面（上面）
３ｂ 基板の一方の端面
３ｃ 基板の他方の主面（底面）
３ｄ 基板の他方の端面
４ ソレノイドアンテナ素子
４ａ ソレノイドアンテナ素子の一方の端子
４ｂ ソレノイドアンテナ素子の他方の端子
５ａ 引出導体
５ｂ 引出導体
７ プリント基板
７ａ グランド面
９ リーダライタ
１０ アンテナ装置
２０，２０Ａ，２０Ｂ アンテナ装置
３０ アンテナ装置
３１ フレキシブルプリント基板
４０ アンテナ装置
５０ アンテナ装置
５１ スパイラルパターン
５２ スルーホール導体
５３ 導体
５４ スルーホール導体
５５ 導体
５６ａ 外部端子
５６ｂ 外部端子
５７ 直線パターン
５８ 磁性体
５９ 金属板
６０ アンテナ装置
７０ アンテナ装置
ｅ１，ｅ２，ｅｎ 直線パターンの端部
ＬＮ１，ＬＮ２，ＬＮｎ 直線パターン
Ｐ ヘリカルループの終端部

Claims (10)

1. 第１方向に回転中心軸を有するソレノイドアンテナ素子と、
   前記第１方向と直交する第２方向から見て、前記ソレノイドアンテナ素子と重ならない位置に設けられ、前記第２方向に回転中心軸を有する平面ループアンテナ素子と、を備え、
   前記ソレノイドアンテナ素子の一対の端子の一方は、前記平面ループアンテナ素子の一対の端子の一方と接続されており、
   前記第２方向から見て、前記ソレノイドアンテナ素子及び前記平面ループアンテナ素子は金属板と重なり有しており、且つ、前記平面ループアンテナ素子は、前記ソレノイドアンテナ素子よりも前記金属板の端部寄りに位置していることを特徴とするアンテナ装置。
2. 第１基板をさらに備え、
   前記ソレノイドアンテナ素子は、前記第１基板の一方の主面及び他方の主面を交互に経由してループ状に巻回されたものである、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１基板は磁性基板である、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. フレキシブルプリント基板をさらに備え、
   前記ソレノイドアンテナ素子は、前記フレキシブルプリント基板を折り返して前記フレキシブルプリント基板の表面に形成された複数の直線パターンがループ状に連結されてなるものであり、
   前記平面ループアンテナ素子は、前記フレキシブルプリント基板の前記表面に形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 第１基板をさらに備え、
   前記ソレノイドアンテナ素子は、前記第１基板の内層に設けられている、請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記ソレノイドアンテナ素子の中空部を貫通するとともに、前記第２方向から見て前記平面ループアンテナ素子と重なる部分を有する磁性体をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記フレキシブルプリント基板は、前記ソレノイドアンテナ素子の前記回転中心軸方向において互いに隣接する第１及び第２領域と、前記回転中心軸方向と直交する方向において前記第２領域と隣接する第３領域とを有し、
   前記平面ループアンテナ素子は前記第１領域に形成されており、
   前記ソレノイドアンテナ素子は前記第２及び第３領域に形成されており、
   前記第３領域が前記第２領域と重なるように折り返されることにより前記複数の直線パターンがループ状に連結されている、請求項４に記載のアンテナ装置。
8. 前記フレキシブルプリント基板は、前記ソレノイドアンテナ素子の前記回転中心軸方向において互いに隣接する第１及び第２領域と、前記回転中心軸方向において前記第２領域と隣接する第３領域とを有し、
   前記平面ループアンテナ素子は前記第１領域に形成されており、
   前記ソレノイドアンテナ素子は前記第２及び第３の領域に形成されており、
   前記第３領域が前記第２領域と重なるように折り返されることにより前記複数の直線パターンがループ状に連結されている、請求項４に記載のアンテナ装置。
9. 第１方向に回転中心軸を有するソレノイドアンテナ素子と、
   前記第１方向と直交する第２方向から見て、前記ソレノイドアンテナ素子と重ならない位置に設けられ、前記第２方向に回転中心軸を有する平面ループアンテナ素子と、
   前記ソレノイドアンテナ素子の中空部を貫通するとともに、前記第２方向から見て前記平面ループアンテナ素子と重なる部分を有する磁性体と、を備え、
   前記ソレノイドアンテナ素子の一対の端子の一方は、前記平面ループアンテナ素子の一対の端子の一方と接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
10. フレキシブルプリント基板をさらに備え、
    前記ソレノイドアンテナ素子は、前記フレキシブルプリント基板を折り返して前記フレキシブルプリント基板の表面に形成された複数のパターンがループ状に連結されてなるものであり、
    前記平面ループアンテナ素子は、前記フレキシブルプリント基板の前記表面に形成されている、請求項９に記載のアンテナ装置。

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