JP6282692B2

JP6282692B2 - 通信装置

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Publication number: JP6282692B2
Application number: JP2016127259A
Authority: JP
Inventors: 憲男斎藤; 悟杉田; 池田　義人; 義人池田
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: JP2016171598A

Description

本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置を備える通信装置に関する。

携帯電話機などの電子機器において、近距離非接触通信の機能を搭載するため、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用のアンテナモジュールが用いられている。

このアンテナモジュールは、リーダライタなどの発信器に搭載されたアンテナコイルと誘導結合を利用して通信を行っている。すなわち、このアンテナモジュールは、リーダライタからの磁界をアンテナコイルが受けることによって、それを電力に変換して通信処理部として機能するＩＣを駆動させることができる。

アンテナモジュールは、確実に通信を行うため、リーダライタからのある値以上の磁束をアンテナコイルで受ける必要がある。そのために、従来例に係るアンテナモジュールでは、携帯電話機の筐体にループコイルを設け、このコイルでリーダライタからの磁束を受けている。

ところが、携帯電話機などの電子機器に組み込まれたアンテナモジュールは、機器内部の基板やバッテリーパックなどの金属が、リーダライタからの磁界を受けることによって発生する渦電流のために、リーダライタからの磁束が跳ね返されてしまうため、ループコイルに届く磁束が少なくなってしまった。このようにしてループコイルに届く磁束が少なくなってしまうため、アンテナモジュールは、必要な磁束を集めるためにある程度の大きさのループコイルが必要となり、さらに、磁性シートを用いて磁束を増やすことも必要となる。

上述したように、携帯電話機などの電子機器の基板に流れる渦電流によってリーダライタからの磁束が跳ね返されるが、電子機器の筐体表面には、基板の面方向に向いている磁界の成分があり、この成分を受けることによってアンテナとして機能するというものが特許文献１において提案されている。具体的に、特許文献１では、コイルの占有面積を少なくするため、フェライトコアにコイルを巻いたアンテナ構造が提案されている。

特開２００８−３５４６４号公報

上述したように、携帯電話機などの電子機器は基板などの比較的電気をよく流すものが使われているので、磁界を受けた基板に渦電流が発生することにより、磁界を跳ね返してしまう。例えば、携帯電話機の筐体表面で考えると、リーダライタからくる磁界は、筐体表面の外周部分が強くなり、筐体表面の真ん中付近が弱くなる傾向にある。

通常のループコイルを用いるアンテナの場合、ループコイルは、その開口部が、上述した筐体表面の外周部分を通過する磁界をあまり受けることができない携帯電話機の中央部分に位置している。このため、通常のループコイルを用いるアンテナでは、磁界を受ける効率が悪くなっている。

また、特許文献１に記載されたフェライトコアにコイルを巻いて、そのコイルを携帯電話機に組み込んだアンテナ構造では、フェライトコアの断面が磁束を集める面積になるので、フェライトコアの厚みが例えば１ｍｍ以上必要になり、携帯電話機の筐体が比較的厚い構造となってしまう。このため、比較的薄型の携帯電話機では、その内部に実装するのが難しい構造である。また、折りたたみ式の携帯電話機に搭載された液晶ディスプレイの裏側に、このアンテナモジュールを組み込む場合には、やはり薄いことが必要となるので、特許文献１に記載のアンテナ構造ではスペースを確保するのが難しい。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、通信特性を維持しつつ、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図ることが可能な通信装置を提供することを目的とする。

また、本発明の一態様は、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置であって、筐体と、上記筐体内部に設けられ、上記発信器に対向した導電体と、上記発信器と誘導結合されるアンテナコイルが形成されたアンテナ基板と、上記発信器から発信される磁界を、上記アンテナコイルに引き込む磁性シートと、上記アンテナコイルに流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備え、上記アンテナコイルは、導線が略平面状に巻回した構成であり、上記導電体と上記筐体の内周壁との間の隙間に配置されて開口部が上記発信器と対向するように該導電体と略平行に設けられ、上記磁性シートが、上記アンテナ基板上に形成された上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、上記発信器と対向する筐体面により配向された磁界の進行方向の上流側では上記磁性シートが上記アンテナコイルよりも該発信器側に位置する配置条件と、該配向された進行方向の下流側では該アンテナコイルが該磁性シートよりも該発信器側に位置する配置条件との両方の配置条件を満たすようにして、該アンテナコイルと該磁性シートとが互いに重畳され、上記磁性シートは、上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、該磁性シートの両端が、該アンテナコイルの両端よりも該中心部分寄りに位置しており、上記アンテナコイルは、少なくとも上記磁性シートが差し込まれる方向の長さが該差し込まれる方向に垂直な方向の長さより短い略矩形形状であり、上記磁性シートと上記アンテナコイルとは、粘着層を介して、互いに重畳された状態が維持され、該粘着層は、上記磁性シートが上記アンテナ基板上に形成された上記アンテナコイルの上記中心部分に差し込まれる方向において、上記磁性シートの両端を越えて、上記アンテナコイルの両端と略一致するように積層されていることを特徴とする。

本発明は、磁性シートがアンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、磁性シートの両端が、アンテナコイルの両端よりもアンテナコイルの中心部分寄りに位置することにより、磁束を効率よくアンテナコイルの中心部分に引き込むことで通信特性を維持しつつ、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化、薄型化を図ることができる。

本発明が適用された通信装置が組み込まれた無線通信システムの構成について説明するための図である。携帯電話機の筐体内部に配置される通信装置の構成について説明するための図である。図３（Ａ）は、アンテナモジュールの斜視図であり、図３（Ｂ）は、アンテナモジュールの断面図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本発明が適用されたアンテナモジュールにおいて、磁性シートの両方の端部と、アンテナコイルの両方の端部との位置関係について説明するための図である。比較例に係るアンテナモジュールにおいて、磁性シートの両方の端部と、アンテナコイルの両方の端部との位置関係について説明するための図である。アンテナコイルと磁性シートとの幅の差を変化させたときの通信特性の変化について説明するための図である。図７（Ａ）は、磁性シートの幅と略一致するように粘着層をアンテナ基板の表面に積層した図であり、図７（Ｂ）は、アンテナコイルの幅と略一致するように粘着層をアンテナ基板１１の表面に積層した図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明が適用された通信装置は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる装置であって、例えば図１に示すようなＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用の無線通信システム１００に組み込まれて使用される。

無線通信システム１００は、本発明が適用された通信装置１と、通信装置１に対するアクセスを行うリーダライタ１２０とからなる。ここで、通信装置１とリーダライタ１２０とは、三次元直交座標系ｘｙｚのｘｙ平面において互いに対向するように配置されているものとする。

リーダライタ１２０は、ｘｙ平面において互いに対向する通信装置１に対して、ｚ軸方向に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、通信装置１に向けて磁界を発信するアンテナ１２１と、アンテナ１２１を介して誘導結合された通信装置１と通信を行う制御基板１２２とを備える。

すなわち、リーダライタ１２０は、アンテナ１２１と電気的に接続された制御基板１２２が配設されている。この制御基板１２２には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、通信装置１から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、通信装置１に対してデータを送信する場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ１２１を駆動する。また、制御回路は、通信装置１からデータを読み出す場合、アンテナ１２１で受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。

通信装置１は、例えばリーダライタ１２０とｘｙ平面において対向するように配置される携帯電話機１３０の筐体１３１の内部に組み込まれ、誘導結合されたリーダライタ１２０との間で通信可能となるアンテナコイル１１ａが実装されたアンテナ基板１１を有するアンテナモジュール１ａと、アンテナコイル１１ａに流れる電流により駆動し、リーダライタ１２０との間で通信を行う通信処理部１２とを備える。

アンテナ基板１１には、例えばフレキシブルフラットケーブルなどの可撓性の導線をパターンニング処理などをすることによって形成されるアンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａと通信処理部１２とを電気的に接続する端子部１１ｂとが実装されている。

アンテナコイル１１ａは、リーダライタ１２０から発信される磁界を受けると、リーダライタ１２０と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、端子部１１ｂを介して受信信号を通信処理部１２に供給する。

通信処理部１２は、アンテナコイル１１ａに流れる電流により駆動し、リーダライタ１２０との間で通信を行う。具体的に、通信処理部１２は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該通信処理部１２が有する内部メモリに書き込む。また、通信処理部１２は、リーダライタ１２０に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル１１ａを介して変調された電波をリーダライタ１２０に送信する。

以上のような構成からなる無線通信システム１００において、以下では、アンテナモジュール１ａの構成について説明する。

アンテナモジュール１ａのアンテナコイル１１ａは、携帯電話機１３０などの電子機器に組み込んだ際に当該電子機器の小型化を図りつつ、リーダライタ１２０との間で良好な通信特性を実現する観点から、例えば、図２（Ａ）に示すような三次元直交座標系ｘｙｚのｘｙ平面上であって、携帯電話機１３０の筐体１３１内部に設けられたバッテリパック１３３と、筐体１３１の内周壁１３１ａとの隙間１３２に配置される。

なお、アンテナモジュール１ａは、上述したようにバッテリパック１３３と筐体１３１の内周壁１３１ａとの隙間１３２だけでなく、例えば集積回路基板などの筐体１３１内部に配置された導電体と筐体の内周壁との隙間に設けるようにしてもよい。本実施例では、アンテナモジュールが、便宜上、板状の導電体として、図２（Ｂ）に示すようなバッテリパック１３３の金属筐体であるリーダライタ１２０に対向した金属板１３３ａの端部１３３ｂと、筐体１３１の内周壁１３１ａとの間に配置されているものとして説明する。

ここで、図２（Ｂ）の断面図で示すように、リーダライタ１２０に対向する筐体面の具体例として、携帯電話機１３０に配置されたバッテリパック１３３の金属筐体である金属板１３３ａは、電気を比較的よく流すので、外部から交流磁界が加わると渦電流が発生し、磁界を跳ね返してしまう。このような外部から交流磁界が加わるときの磁界分布を調べると、リーダライタ１２０と対向したバッテリパック１３３の金属板１３３ａの端部１３３ｂの磁界が強いという特性を有する。具体的に、アンテナモジュール１ａが配置される隙間１３２の磁界は、ｙ軸方向の成分が大きい。アンテナモジュール１ａは、このようなｙ軸方向に成分が大きい磁界を効率よくアンテナコイル１１ａに引き込ませるため、図３に示すようにして配置され、アンテナコイル１１ａに重畳される磁性シート１３を備える。

ここで、図３（Ａ）は、ｘｙ平面上において磁性シート１３が差し込まれたアンテナ基板１１の斜視図であり、図３（Ｂ）は、ｘｙ平面上において磁性シート１３が差し込まれたアンテナ基板１１の断面図である。

図３（Ｂ）に示すように、アンテナモジュール１ａでは、リーダライタ１２０に対向する金属板１３３ａにより配向された磁界の進行方向の上流側では磁性シート１３がアンテナコイル１１ａよりもリーダライタ１２０側に位置するように配置され、この配向された磁界の進行方向の下流側ではアンテナコイル１１ａが磁性シート１３よりもリーダライタ１２０側に位置するように配置されるように、磁性シート１３が、アンテナ基板１１上に形成されたアンテナコイル１１ａの中心部分１１ｃに差し込まれたものである。

ここで、アンテナ基板１１は、上述したようにフレキシブルプリント基板やリジットプリント基板などが用いられるが、特にフレキシブルプリント基板を用いることで、アンテナコイル１１ａの中央部に切れ込み部を容易に形成することができ、この切れ込み部に磁性シート１３を容易に差し込めることができる。このようにして、アンテナモジュール１ａは、容易に磁性シート１３をアンテナ基板１１に差し込むという観点から、フレキシブルプリント基板を用いてアンテナ基板１１とすることが好ましい。また、フレキシブルプリント基板を用いることで、当該アンテナモジュール１ａを容易に製造することができる。

このようにして、アンテナモジュール１ａは、リーダライタ１２０に対向する金属板１３３ａにより配向された磁界の進行方向の上流側では磁性シート１３がアンテナコイル１１ａよりもリーダライタ１２０側に位置するように配置され、この配向された磁界の進行方向の下流側ではアンテナコイル１１ａが磁性シート１３よりもリーダライタ１２０側に位置するように配置されることで、隙間１３２に生じる磁界を効率よくアンテナコイル１１ａに引き込ませることができる。

さらに、アンテナモジュール１ａは、隙間１３２に、アンテナコイル１１ａの開口部、すなわち中心部分１１ｃが位置するように巻回されているので、携帯電話機１３０などの電子機器に組み込んだ際に筐体１３１の小型化を図ることができる。

このようにして、隙間１３２に生じる磁界を効率よくアンテナコイル１１ａに引き込ませることができるのは、上述したようにして磁性シート１３を配置することによって、金属板１３３ａの端部１３３ｂから筐体１３１の内周壁１３１ａへの磁界成分が、アンテナコイル１１ａの開口部を効率よく通過するようになるからである。

さらに、アンテナモジュール１ａは、後述する性能評価に示すような良好な通信特性と、小型化を両立する観点から、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、アンテナコイル１１ａの中心部分１１ｃに差し込まれるｙ軸方向において、略Ｔ字形状の磁性シート１３の両方の端部１３ａ、１３ｂが、それぞれアンテナコイル１１ａの両方の端部１１ｄ、１１ｅよりも中心部分１１ｃ寄りに位置するようにして、アンテナコイル１１ａに差し込まれている。このように、アンテナモジュール１ａでは、磁性シート１３とアンテナコイル１１ａとが差し込まれる方向において、磁性シート１３の幅Ｗ１３をアンテナコイル１１ａの幅Ｗ１１よりも短くすることで、例えば図５に示すような比較例に係るアンテナモジュール２ａよりも良好な通信特性を実現することができる。

比較例に係るアンテナモジュール２ａは、図５に示すように、アンテナコイル２１ａの中心部分２１ｃに差し込まれるｙ軸方向において、アンテナコイル２１ａの両方の端部２１ｄ、２１ｅが、磁性シート２３の両方の端部２３ａ、２３ｂよりもそれぞれ中心部分２１ｃ寄りに位置するようにして、アンテナコイル２１ａに差し込まれたものである。すなわち、アンテナモジュール２ａでは、磁性シート２３とアンテナコイル２１ａとが差し込まれる方向において、アンテナコイル２１ａの幅Ｗ２１を磁性シート２３の幅Ｗ２３よりも短くしたものである。

まず、性能評価としては、アンテナモジュール１ａ、２ａとリーダライタ１２０とを対向させて、ｘ軸方向の相対的な位置関係を変化させたときの通信特性について評価する。

具体的な評価条件としては、次のようにした。リーダライタ１２０には、ソニー社製４６１Ｃを用いた。磁界の発信周波数は、１３．５６ＭＨｚである。また、アンテナモジュール１ａのアンテナコイル１１ａと、アンテナモジュール２ａの磁性シート２３との外形状は、それぞれｘｙ平面で規定される５０ｍｍ×８．５ｍｍの矩形状に固定した。

このようにして、Ｗ１１とＷ２３は、８．５ｍｍに固定し、アンテナコイルと磁性シートとの幅の差、すなわち、Ｗ１１−Ｗ１３を０ｍｍから８．５ｍｍまで、Ｗ２３−Ｗ２１を０〜３ｍｍまで変化させたときの通信距離の変化を図６に示す。

図６の結果から明らかなように、アンテナモジュール１ａでは、磁性シート１３とアンテナコイル１１ａとが差し込まれる方向において、磁性シート１３の幅Ｗ１３をアンテナコイル１１ａの幅Ｗ１１よりも短くすることで、良好な通信特性を実現することができる。また、Ｗ１１−Ｗ１３は、４ｍｍよりも大きくなると、通信距離が小さくなる。よって、磁性シート１３の幅Ｗ１３は、アンテナコイル１１ａの幅Ｗ１１に対する比（Ｗ１３／Ｗ１１）が、略１／２〜１未満であることが好ましい。

このようにして、アンテナモジュール１ａは、アンテナコイル１１ａに対して磁性シート１３の幅を狭くすると、アンテナモジュール全体幅を狭くすることができる。すなわち、アンテナモジュール１ａは、通信特性の向上を図りつつ、モジュール全体をよりスリムにすることができる。

さらに、アンテナモジュール１ａは、磁性シート１３とアンテナコイル１１ａとを、図７に示すように、アンテナ基板１１及び磁性シート１３の少なくとも一方の表面に積層した粘着層１４を介して、互いに重畳された状態が維持することが好ましい。ここで、図７（Ａ）は、磁性シート１３の端部１３ａ、１３ｂと略一致するように粘着層１４をアンテナ基板１１の表面に積層したものであり、図７（Ｂ）は、アンテナコイル１１の端部１１ｄ、１１ｅと略一致するように粘着層１４をアンテナ基板１１の表面に積層したものである。

このようにすることで、アンテナモジュール１ａは、磁性シート１３の端部が割れて粉落ちしても、粘着層１４で受け止めることができ、結果として、携帯電話機１３０内部に異物が飛散することを防止することができる。特に磁性シート１３として、磁気特性が比較的高いフェライトは、焼結部材であり、外力により割れやすく粉落ちし易いため、より適している。さらに、磁性シート１３の粉落ちを効率よく防止する観点から、図７（Ｂ）に示すような、アンテナコイル１１の幅と略一致するように粘着層１４をアンテナ基板１１の表面に積層することが特に好ましい。

また、アンテナコイル１１ａが可撓性を有するアンテナ基板１１によって形成されるか、また、磁性シート１３が柔軟性を有するかのうち、少なくとも一方の条件を満たすことで、差し込み易いことによって粉落ちリスクをより低減することができる点で好ましい。さらに、上述した粘着層１４を介して、平面度が偏っていても一方の表面に追従することで、より確実に互いに重畳された状態が維持することができる点で好ましい。

なお、本発明が適用されたアンテナモジュールは、必ずしも隙間１３２に配置していなくてもよく、例えばアンテナモジュール１ａの一部が、リーダライタ１２０に対向する金属板１３３ａに重畳してもよく、金属板１３３ａの外周部に配置されることで、金属板１３３ａにより配向された磁界を効率よくアンテナコイル１１ａに引き込むことができる。さらに、本発明が適用されたアンテナモジュールは、磁性シートとアンテナ基板との配置が、上述したリーダライタとの関係で規定される配置条件に限定されず、磁性シートがアンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、磁性シートの両端が、アンテナコイルの両端よりもアンテナコイルの中心部分寄りに位置するという構成を採用することで、磁束を効率よくアンテナコイルの中心部分に引き込むことで通信特性を維持しつつ、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化、薄型化を図ることができる。

１通信装置、１ａ、２ａアンテナモジュール、１１アンテナ基板、１１ａ、２１ａアンテナコイル、１１ｂ端子部、１１ｃ、２１ｃ中心部分、１１ｄ、１１ｅ、１３ａ、１３ｂ、２１ｄ、２１ｅ、２３ａ、２３ｂ端部、１２通信処理部、１３、２３磁性シート、１４粘着層、１００無線通信システム、１２０リーダライタ、１２１アンテナ、１２２制御基板、１３０携帯電話機、１３１筐体、１３１ａ内周壁、１３２隙間、１３３バッテリパック、１３３ａ金属板、１３３ｂ端部

Claims

発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置であって、
筐体と、
上記筐体内部に設けられ、上記発信器に対向した導電体と、
上記発信器と誘導結合されるアンテナコイルが形成されたアンテナ基板と、
上記発信器から発信される磁界を、上記アンテナコイルに引き込む磁性シートと、
上記アンテナコイルに流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備え、
上記アンテナコイルは、導線が略平面状に巻回した構成であり、上記導電体と上記筐体の内周壁との間の隙間に配置されて開口部が上記発信器と対向するように該導電体と略平行に設けられ、
上記磁性シートが、上記アンテナ基板上に形成された上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、上記発信器と対向する筐体面により配向された磁界の進行方向の上流側では上記磁性シートが上記アンテナコイルよりも該発信器側に位置する配置条件と、該配向された進行方向の下流側では該アンテナコイルが該磁性シートよりも該発信器側に位置する配置条件との両方の配置条件を満たすようにして、該アンテナコイルと該磁性シートとが互いに重畳され、
上記磁性シートは、上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、該磁性シートの両端が、該アンテナコイルの両端よりも該中心部分寄りに位置しており、
上記アンテナコイルは、少なくとも上記磁性シートが差し込まれる方向の長さが該差し込まれる方向に垂直な方向の長さより短い略矩形形状であり、
上記磁性シートと上記アンテナコイルとは、粘着層を介して、互いに重畳された状態が維持され、該粘着層は、上記磁性シートが上記アンテナ基板上に形成された上記アンテナコイルの上記中心部分に差し込まれる方向において、上記磁性シートの両端を越えて、上記アンテナコイルの両端と略一致するように積層されていることを特徴とする通信装置。
上記アンテナコイルは、上記電子機器の上記筐体内部の上記発信器に対向した上記導電体の端部と該筐体の上記内周壁との隙間に該アンテナコイルの上記開口部が位置するように、その開口部を介して幅方向に対向する上記導線が互いに近接するように巻回して設けられる細長い矩形形状であることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。