JP6192532B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、近距離無線通信を行う電子機器に用いるアンテナ装置に関する。

近距離無線通信を行う電子機器に用いるアンテナ装置は、例えば、通信する相手先である外部機器に近い側から順に、磁束を誘導するための導電体、銅箔等の導体をパターニングして中心部に開口部を有するように巻回したコイル、アンテナの指向性を相手先のアンテナ方向に広げる磁性体からなる構成が知られている。このような構成のアンテナ装置は、特許文献１、２に記載されている。

国際公開第２０１０／１２２６８５号 特開２０１１−１９９３４３号公報

従来のアンテナ装置は、金属カバー等の導電体がコイルを覆うと、相手先の外部機器とのアンテナ間結合が低下するため、コイル開口部を避けて導電体に開口部を設けたり、コイルの全面を覆うように磁性体を配することによってアンテナ間結合を確保している。

一方、携帯電話等の電子機器には、回路基板や電池、シールド板等の導電体（以下、「内部導電体」という。）も搭載されている。内部導電体がコイル開口部よりも大きく、かつコイルおよび磁性体を導電体と内部導電体で挟むよう配置した場合、磁束が相殺されてアンテナ装置と外部機器のアンテナとの結合が低下し、通信に不具合が発生してしまう場合があった。

本発明の目的は、金属ケースや回路基板を有する電子機器において、導電体と内部導電体の間にコイルと磁性体を配置しても、外部機器と良好な通信を行うことができるアンテナ装置を提供することである。

本発明によれば、近距離無線通信を行う相手先の外部機器に近い順に、導電体と、導体が巻回されて中心部に開口部を有するコイルと、磁性体とを配するアンテナ装置であって、前記アンテナ装置を前記外部機器の側から平面視したとき、前記コイルの一部を前記導電体の外周縁およびおよび前記磁性体の外周縁よりも外側に配することを特徴とするアンテナ装置が得られる。

本発明によれば、前記磁性体の外周縁の一部を前記導電体の外周縁よりも外側に配することを特徴とする上記のアンテナ装置が得られる。

本発明によれば、前記導電体の外周縁の一部および前記磁性体の外周縁の一部を、前記コイルの一部と交差するように配置することを特徴とする上記のアンテナ装置が得られる。

本発明によれば、前記磁性体の外周縁の一部は前記コイルの一部と交差するよう配し、前記導電体は前記コイルの一部と交差するように延在し、かつ前記導電体の外周縁に連なる切り欠き部を備えることを特徴とする上記のアンテナ装置が得られる。

本発明によれば、前記外部機器の側から平面視したとき、前記コイルは四角形であることを特徴とする上記のアンテナ装置が得られる。

本発明によれば、前記導電体は、電子機器の外装ケースの一部であることを特徴とする上記のアンテナ装置が得られる。

本発明のアンテナ装置によれば、導電体と、コイルと、磁性体を順に配した構成のうち、コイルの一部を導電体の外周縁および磁性体の外周縁よりも外側に配することによって、通信する相手先の外部機器が発した磁界がアンテナ装置側の導電体や磁性体内部で相殺されることなく、効率よく磁束をコイルに誘導することができる。

したがって、アンテナ装置内部に回路基板や電池等の他の導電体が搭載されていても、外部機器のアンテナとの結合が保たれるため、良好な通信を行なうことが可能となる。

また、内部導電体がコイル開口部よりも大きく、かつコイルおよび磁性体を導電体と内部導電体ではさむ構成であっても、外部機器のアンテナとの結合を良好に確保することができるため、アンテナ装置の設置に関する自由度が高まる。

本発明により、金属ケースや回路基板等の内部導電体を有する電子機器において、導電体と内部導電体の間にコイルと磁性体を配置しても、外部機器と良好な通信を行うことができるアンテナ装置を提供することが可能となる。

本発明による第１の実施の形態を示すアンテナ装置の概略図であり、図１（ａ）はアンテナ装置の概略斜視図、図１（ｂ）は本発明のアンテナ装置のＡ−Ａ断面と外部機器のアンテナを示す概略図である。 本発明による第１の実施の形態を示すアンテナ装置と内部導電体の配置を説明する概略図であり、図２（ａ）は内部導電体がコイル全面にかかる構成を説明する断面図、図２（ｂ）は内部導電体がコイルの一部にかかる構成を説明する断面図である。 本発明による第２の実施の形態を示すアンテナ装置の概略図であり、図３（ａ）はアンテナ装置の概略斜視図、図３（ｂ）はアンテナ装置のＡ−Ａ断面と外部機器のアンテナを示す概略図である。 本発明のアンテナ装置による実施例および比較例を説明する図であり、図４（ａ）は実施例１におけるアンテナ装置の構成を示す断面図、図４（ｂ）は比較例１におけるアンテナ装置の構成を示す断面図、図４（ｃ）は実施例および比較例によるアンテナ装置のコイル位置による結合係数を示す図である。

（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明による第１の実施の形態を示すアンテナ装置の概略図であり、図１（ａ）はアンテナ装置の概略斜視図、図１（ｂ）はアンテナ装置のＡ−Ａ断面図である。図１は、電子機器内のアンテナ装置のみを表している。本発明のアンテナ装置１０は、導体が巻回されて中心部に開口部を有するコイル１１と、磁性シートやフェライトシート、フェライト焼結体からなる磁性体１２と、導電体１３から構成されている。ここでコイル１１は、巻線で作製しても、フレキシブル回路基板等に電極パターンを形成して作製しても良い。導電体１３は、フレキシブル回路基板等で作製した電極板や、携帯端末の外装となる金属ケースの一部であっても良い。

本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置１０は、図１（ａ）に示したようにコイル１１と、磁性体１２と、導電体１３から構成されている。

図１（ｂ）は、Ａ−Ａ断面と併せて外部機器のアンテナ５０を示す。アンテナ装置１０は、外部機器のアンテナ５０に近い側から導電体１３、導体が巻回されて中心部に開口部を有するコイル１１、磁性体１２の順に配置する。

本実施の形態のアンテナ装置１０は、外部機器のアンテナ５０の側から平面視して、磁性体１２の外周縁と導電体１３の外周縁よりも、コイル１１の一部が露出するよう外側に配置する。

外部機器とのアンテナ間結合を維持して良好な通信を行なうためには、磁性体１２は、コイル１１の露出部を除く部位を可能な限り広い面積で覆うことが望ましい。

アンテナ装置１０は、外部機器のアンテナ５０の側から平面視して、磁性体１２の一部も導電体１３の外周縁よりも外側かつコイル１１よりも内側に配置されている形態、すなわち図１（ｂ）に示したように、磁性体１２の外周縁の一部が外部機器側から見て導電体１３の外周縁の一部から露出し、かつコイルの露出部位にはかからないような配置が、外部機器とのアンテナ間結合が良くなり望ましい。

なお、図１（ｂ）に示すように、導電体１３から露出する磁性体１２の外周縁と、コイル１１の内周縁の位置関係を一致させるように配置すれば、磁束がより効率的に誘導されるため好ましい。

本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置としては、コイル１１の形状を四角形として例示しているが、円形、楕円形、長円形などの他の形状であっても良い。

図２は、本発明による第１の実施の形態を示すアンテナ装置と内部導電体の配置を説明する概略図である。図２（ａ）は、内部導電体がコイル全面にかかる構成を説明する断面図であり、図２（ｂ）は、内部導電体がコイルの一部にかかる構成を説明する断面図である。

携帯電話等の電子機器では、回路基板や電池、シールド板等の内部導電体を有する構成が一般的であり、コイルおよび磁性体が、導電体と内部導電体で挟まれる形に配置されることが多い。本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置１０では、図２（ａ）に示す内部導電体１４がコイル１１の全面にかかる構成よりも、図２（ｂ）に示す内部導電体２４がコイル１１の一部にかかる構成の方が、外部機器のアンテナと良好な結合が得られる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明による第２の実施の形態を示すアンテナ装置の概略図であり、図３（ａ）はアンテナ装置の概略斜視図、図３（ｂ）はアンテナ装置のＡ−Ａ断面と外部機器のアンテナを示す概略図である。図３は、電子機器内のアンテナ装置のみを表している。本発明のアンテナ装置３０は導体が巻回されて中心部に開口部を有するコイル３１と、磁性シートやフェライトシート、フェライト焼結体からなる磁性体３２と、導電体３３から構成されている。ここでコイル３１は、巻線で作製しても、フレキシブル回路基板等に電極パターンを形成して作製しても良い。導電体３３は、フレキシブル回路基板等で作製した電極板や、携帯端末の外装となる金属ケースの一部であってもよい。

本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置３０は、図３（ａ）に示したようにコイル３１と、磁性体３２と、切り欠き部を設けた導電体３３から構成されている。

図３（ｂ）は、Ａ−Ａ断面と併せて外部機器のアンテナ５０を示す。アンテナ装置３０は、外部機器のアンテナ５０に近い側から導電体３３、導体が巻回されて中心部に開口部を有するコイル３１、磁性体３２の順に配置する。

本実施の形態のアンテナ装置３０は、外部機器のアンテナ５０の側から平面視して、磁性体３２の外周縁と導電体３３の切り欠き部の外周縁から、コイル３１の一部が露出するよう外側に配置する。

導電体３３の切り欠き部は、コイル３１の一部と交差するように延在し、かつ導電体３３の外周縁に連なる形状を備え、外部機器のアンテナ５０の側から平面視して、導電体３３の切り欠き部から見えるコイル３１は、磁性体３２の外周縁よりも外側に配置される。

導電体３３の切り欠き部の大きさは、外部機器のアンテナ５０の側から平面視して、コイル３１の一部が露出すればよく、導電体３３の外形寸法はコイル３１の外周縁よりも大きいことが望ましい。

外部機器とのアンテナ間結合を維持して良好な通信を行なうために、磁性体３２はコイル３１の外周縁よりも大きいこと、すなわちコイル３１の露出部を除く部位を可能な限り広い面積で覆うことが望ましい。

ここで、本実施形態によるアンテナ装置３０としては、四角形の切り欠き部を供えた導電体３３を例示したが、携帯端末等の実装状態により導電体は様々な形状をとり得る。本発明では、どのような形状の導電体と切り欠き部の組み合わせであっても、コイルの一部が磁性体の外周縁および導電体の外周縁から外側に配置されていれば、同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態においても、コイル３１の形状は四角形に限るものではなく、円形、楕円形、長円形などの他の形状であっても良い。

本実施形態によるアンテナ装置においても、図２に示したような内部導電体を配置した場合には、本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置と同様に、内部導電体がコイルよりも小さく、かつコイルの一部にかかる構成の方が、外部機器のアンテナと良好な結合が得られる。

（実施例１）
本発明の実施例１として、第１の実施の形態に対応する、図１および図４（ａ）に示した構成のアンテナ装置を作製した。

コイル１１は、フレキシブル回路基板に、厚み０．０３５ｍｍの銅箔を用いて幅０．３ｍｍ、間隔０．２ｍｍ、外形４０ｍｍ×１０ｍｍの長方形からなる３ターンコイルを形成した。

磁性体１２は、厚さ０．２ｍｍのフェライトシートを、４２ｍｍ×１４ｍｍの板状に形成した。磁性体１２の長辺の外周縁の一辺からコイル１１の長辺の一辺が露出するように重ね、厚さ０．０３ｍｍの両面テープで貼り合わせた。

導電体１３は、厚さ０．３ｍｍのアルミニウム材を、６０ｍｍ×８０ｍｍの板状に形成した。コイル１１の磁性体１２を貼り付けた反対側の面に、導電体１３の短辺の一辺からコイル１１の長辺の一辺が露出するよう、導電体１３の端部から露出したコイル１１の外周縁までの距離が２ｍｍとなるように重ね、厚さ０．０３ｍｍの両面テープで貼り合わせた。

（実施例２）
実施例２として、図２（ａ）で示すように、実施例１のアンテナ装置の磁性体１２の背後に内部導電体１４を配置した。内部導電体１４は、厚さ３．５ｍｍのアルミニウム材を５０ｍｍ×４０ｍｍの板状に形成した後、コイル１１の全面にかかるようにアンテナ装置に重ね、厚さ０．１ｍｍの両面テープで貼り付けた。

（実施例３）
実施例３として、図２（ｂ）で示すように、実施例１のアンテナ装置の磁性体１２の背後に内部導電体２４を配置した。内部導電体は、実施例２と同様、厚さ３．５ｍｍのアルミニウム材を５０ｍｍ×４０ｍｍの板状に形成した後、コイル１１の一部にかかるようにアンテナ装置に重ね、厚さ０．１ｍｍの両面テープで貼り付けた。

（比較例１）
比較例１としては、図４（ｂ）に示した構成のアンテナ装置を作製した。比較例１のアンテナ装置４０は、実施例１の構成と比較して、外部機器側から平面視した場合のコイル１１がすべて磁性体１２の外周縁の内側に納まるよう配置した点が異なる。

コイル１１および導電体１３の構成は実施例１と同様であり、磁性体１２は、厚さ０．２ｍｍのフェライトシートを４２ｍｍ×１７ｍｍの板状に形成した。コイル１１がすべて磁性体１２の外周縁の内側に納まって覆われるように重ね、厚さ０．０３ｍｍの両面テープで貼り合わせた。その他の構成は実施例１と同様である。

（比較例２）
比較例２は、コイル１１がすべて磁性体１２の外周縁の内側に納まるよう配置した点が比較例１と同様であり、更に内部導電体１４をコイルの全面にかかるよう配する構成が実施例２と同様である。

（比較例３）
比較例３は、コイル１１がすべて磁性体１２の外周縁の内側に納まるよう配置した点が比較例１と同様であり、更に内部導電体２４をコイルの一部にかかるよう配する構成が実施例３と同様である。

外部機器のアンテナとして、回路基板に厚さ０．０３５ｍｍの銅箔を用いて幅０．７ｍｍ、間隔０．３ｍｍの電極パターンにより、直径７０ｍｍの２ターンコイルを作製した。アンテナ間隔（伝送距離）を３５ｍｍとして、実施例および比較例の各々におけるアンテナ間の結合係数を求めた結果を、表１に示す。

表１では、アンテナ装置を外部機器の側から平面視したとき、コイルの一部を導電体の外周縁および磁性体の外周縁よりも外側に配した実施例の構成をコイル露出部「あり」、コイルがすべて磁性体の外周縁の内側に納まるように配した比較例の構成をコイル露出部「なし」と表記した。また、内部導電体については、図２（ａ）のようなコイルの全面にかかるものを「全面」、図２（ｂ）のようなコイルの一部にかかるものを「一部」と表記した。

各々の実施例と比較例を比べると、内部導電体の配置によって結合係数は変化するものの、コイルがすべて磁性体の外周縁の内側に納まる比較例の構成よりも、コイルの一部を導電体の外周縁および磁性体の外周縁よりも外側に配した実施例の構成の方が、他の条件を等しくした場合には結合係数が高くなる。

また、アンテナ装置と内部導電体の配置によっては、内部導電体の無いアンテナ装置単体よりもむしろ結合係数が高くなる場合があり、電子機器をそのように構成すればなお好ましい。

次に、コイル１１、磁性体１２、導電体１３の位置関係について、図４（ａ）に示すように導電体１３の端部からコイル１１の外周縁までの距離（コイル位置）をＸとし、コイル１１と磁性体１２との位置関係を固定した上で、コイル１１と導電体１３の配置、すなわちＸの値を種々変えた試料を作製し、結合係数を求めた。

図４（ｃ）は実施例および比較例によるアンテナ装置のコイル位置による結合係数を示す図である。

前記実施例および比較例では、Ｘの値が２ｍｍの場合における各種構成の結合係数を示したが、図４（ｃ）では実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の各構成において、Ｘの値を−５ｍｍから１５ｍｍまで変えた場合の結合係数を示した。なお、Ｘが−５ｍｍから０ｍｍは、本発明の実施例に含まれない参考例である。

図４（ｃ）において、Ｘが−５ｍｍから０ｍｍの場合、コイル１１は全面が導電体１３に覆われていることを意味するため、各実施例、比較例の構成では、何れも結合係数はほぼ０であった。

本実施例と比較例を比べると、実施例の方がコイル位置によらず結合係数が高く、内部導電体の影響を受ける構成であっても、実施例の結合係数が高くなった。

本実施例および比較例の構成では、何れもＸが８ｍｍの場合に結合係数が最大となったが、コイル、磁性体、導電体、内部導電体の構成や配置によって最適なＸの値は異なるので、適宜設定することが望ましい。

１０、３０、４０ アンテナ装置
１１、３１ コイル
１２、３２ 磁性体
１３、３３ 導電体
１４、２４ 内部導電体
５０ 外部機器のアンテナ
Ｘ コイル位置

Claims (6)

1. 近距離無線通信を行う相手先の外部機器に近い順に、導電体と、導体が巻回されて中心部に開口部を有するコイルと、磁性体とを配するアンテナ装置であって、
   前記アンテナ装置を前記外部機器の側から平面視したとき、前記コイルの一部を前記導電体の外周縁および前記磁性体の外周縁よりも外側に配することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記磁性体の外周縁の一部を、前記導電体の外周縁よりも外側に配することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記導電体の外周縁の一部および前記磁性体の外周縁の一部を、前記コイルの一部と交差するように配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記磁性体の外周縁の一部は前記コイルの一部と交差するよう配し、前記導電体は前記コイルの一部と交差するように延在し、かつ前記導電体の外周縁に連なる切り欠き部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記外部機器の側から平面視したとき、前記コイルは四角形であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記導電体は、電子機器の外装ケースの一部であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。

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