JP6288403B1 - アンテナ装置、通信端末装置および竜頭付き時計 - Google Patents

アンテナ装置、通信端末装置および竜頭付き時計 Download PDF

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Abstract

腕時計(101)は、回路基板(20)、この回路基板(20)に実装された給電コイルアンテナ(30)、および回路基板(20)に形成されたグランド導体を備える。グランド導体は、外縁と、開口(AP)と、開口(AP)の内縁と外縁とを連接するスリット部(SL)と、を有する。回路基板(20)には、グランド導体のスリット部(SL)を横断してグランド導体同士を接続する接続導体(9)が設けられている。この接続導体(9)は、グランド導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成する。

Description

本発明は、給電コイルアンテナと面状導体とを有するアンテナ装置、このアンテナ装置を備える通信端末装置および竜頭付き時計に関する。
給電コイルアンテナと面状導体とを有し、給電コイルアンテナを面状導体の縁端部に近接配置するように構成されたアンテナ装置が特許文献1に示されている。このアンテナ装置は、給電コイルアンテナと面状導体とが電磁界結合し、給電コイルアンテナに流れる電流が面状導体の主に縁端部を周回する電流を誘導し、面状導体に流れる電流が給電コイルアンテナに電流を誘導する。したがって、面状導体はブースターアンテナとして作用する。
国際公開第2012/033031号
給電コイルアンテナと面状導体とを有するアンテナ装置は、組み込み先である電子機器がもとより備える導体をアンテナ装置の面状導体として兼用できることが一つの特徴である。例えば、電子機器の筐体内に収容される回路基板に形成されている、面状に拡がるグランド導体パターンはアンテナ装置の面状導体として利用できる。
しかし、回路基板の中央部に開口が形成されていて、この開口の内縁と回路基板の外縁とを連接する切欠部が形成されている場合、その回路基板に形成されているグランド導体パターンは上述のブースターアンテナとしてあまり有効に作用しない。グランド導体パターンの外縁を流れる誘導電流と、開口の内縁に沿って流れる誘導電流とが互いに逆向きの関係となるため、ブースターアンテナとしての機能が低下するからである。
本発明の目的は、面状導体が形成され、中央部に開口が形成されていて、この開口の内縁と基板の外縁とが切欠部で接続されている基板を備える装置において、面状導体のブースターアンテナとしての作用を有効にしたアンテナ装置、このアンテナ装置を備える通信端末装置および竜頭付き時計を提供することにある。
(1)本発明のアンテナ装置は、
面状導体と、
前記面状導体が形成され、前記面状導体と略同形状の基板と、
互いに対向する第1コイル開口端および第2コイル開口端を有し、前記基板に実装される給電コイルアンテナと、
接続導体と、を有し、
前記面状導体は、外縁と、開口と、前記開口によって形成される内縁と、前記内縁と前記外縁とを連接する切欠部と、を備え、
前記接続導体は、前記面状導体の前記切欠部を横断して前記面状導体同士を接続し、前記面状導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成し、
前記給電コイルアンテナの第1コイル開口端は前記面状導体の開口の内縁よりも前記外縁に近接する、ことを特徴とする。
上記構成により、面状導体を流れる電流のうち、切欠部を流れようとする電流は、その切欠部を横断する接続導体を流れ、切欠部および開口の内縁には殆ど流れない。そのため、等価的には面状導体の開口および切欠部が無い状態となって、面状導体はブースターアンテナとして有効に作用する。
(2)前記接続導体は、導体線に絶縁膜が被覆された被覆線であることが好ましい。これにより、接続導体が巻真に対し電気的に導通せず、アンテナ特性を安定化できる。
(3)本発明の通信端末装置は、
アンテナ装置と、内部装置と、外部操作部と、前記内部装置と前記外部操作部との間を接続する操作軸と、を備え、
前記アンテナ装置は、
面状導体と、
前記面状導体が形成され、前記面状導体と略同形状の基板と、
互いに対向する第1コイル開口端および第2コイル開口端を有し、前記基板に実装される給電コイルアンテナと、
接続導体と、を有し、
前記面状導体は、外縁と、開口と、前記開口によって形成される内縁と、前記内縁と前記外縁とを連接する切欠部と、を備え、
前記接続導体は、前記面状導体の前記切欠部を横断して前記面状導体同士を接続し、前記面状導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成し、
前記給電コイルアンテナの第1コイル開口端は前記面状導体の開口の内縁よりも前記外縁に近接する、ことを特徴とする。
上記構成により、基板に形成されている面状導体は、等価的な電流経路としては面状導体の開口および切欠部が無い状態となって、面状導体はブースターアンテナとして有効に作用し、小型の基板を備える小型の通信端末装置が得られる。
(4)前記接続導体は、導体線に絶縁膜が被覆された被覆線であることが好ましい。これにより、接続導体が巻真に対し電気的に導通せず、アンテナ特性を安定化できる。
(5)本発明の竜頭付き時計は、
アンテナ装置と、時計ムーブメントと、竜頭と、前記時計ムーブメントと前記竜頭との間を接続する巻真と、前記アンテナ装置、前記時計ムーブメントおよび前記巻真を収容するケースと、を備え、
前記アンテナ装置は、
面状導体と、
前記面状導体が形成され、前記面状導体と略同形状の基板と、
互いに対向する第1コイル開口端および第2コイル開口端を有し、前記基板に実装される給電コイルアンテナと、
接続導体と、を有し、
前記面状導体は、外縁と、開口と、前記開口によって形成される内縁と、前記内縁と前記外縁とを連接する切欠部と、を備え、
前記接続導体は、前記面状導体の前記切欠部を横断して前記面状導体同士を接続し、前記面状導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成し、
前記給電コイルアンテナの第1コイル開口端は前記面状導体の開口の内縁よりも前記外縁に近接する、ことを特徴とする。
上記構成により、基板に形成されている面状導体は、等価的な電流経路としては面状導体の開口およびスリットが無い状態となって、面状導体はブースターアンテナとして有効に作用し、アンテナ特性に優れた竜頭付き時計(腕時計や懐中時計)が得られる。
(6)前記基板は前記切欠部に対応する位置に形成されたスリット部を有し、前記時計ムーブメントは平面視で前記開口内に配置されていて、前記巻真は前記スリット部に配置されている、ことが好ましい。これにより、時計ムーブメントの厚みに基板の厚み分が加わることなく、ケース内の限られた厚みに時計ムーブメントおよび基板を収容できる。
(7)前記接続導体は、前記スリット部において前記巻真を跳び越える形状であることが好ましい。これにより、巻真と接続導体との構造的な干渉がなく、且つ短い経路長で面状導体のスリット部を繋ぐことができる。
(8)前記接続導体は、導体線に絶縁膜が被覆された被覆線であることが好ましい。これにより、接続導体が巻真に対し電気的に導通せず、アンテナ特性を安定化できる。
本発明によれば、面状導体が形成され、中央部に開口が形成されていて、この開口の内縁と基板の外縁とが切欠部で接続されている基板を備える装置において、面状導体のブースターアンテナとしての作用を有効にしたアンテナ装置、このアンテナ装置を備える通信端末装置および竜頭付き時計が得られる。
図1(A)は第1の実施形態に係る腕時計101の主要部の平面図、図1(B)はその下面図である。 図2(A)は腕時計101が備えるアンテナ装置の平面図および下面図である。図2(B)は図2(A)におけるX−X部分の断面図である。 図3は、給電コイルアンテナ30の分解斜視図である。 図4は給電コイルアンテナ30の断面図である。 図5は、腕時計101のアンテナ装置が備えるグランド導体21に流れる電流の経路を概念的に示す図である。 図6(A)、図6(B)は、それぞれ比較例のアンテナ装置が備えるグランド導体21に流れる電流の経路を概念的に示す図である。 図7は第2の実施形態に係る通信端末装置102の主要部の斜視図である。 図8は第2の実施形態に係る通信端末装置102が備える回路基板20の平面図である。 図9は、測定対象のアンテナ装置と通信相手のアンテナ装置との5つの位置関係を示す図である。
《第1の実施形態》
図1(A)は第1の実施形態に係る腕時計101の主要部の平面図、図1(B)はその下面図である。この腕時計101は本発明における「竜頭付き時計」の例である。腕時計101は、アンテナ装置と、時計ムーブメント3と、竜頭4と、時計ムーブメント3と竜頭4との間を接続する巻真5と、ケース1と、ケース1に取り付けられたベルト2A,2Bとを備える。ケース1は、アンテナ装置、時計ムーブメント3および巻真5を収容する。この腕時計101は、本発明の通信端末装置の例でもある。時計ムーブメント3は本発明における「内部装置」の例であり、竜頭4は本発明における「外部操作部」の例であり、巻真5は本発明における「操作軸」の例である。
上記アンテナ装置は、回路基板20と、この回路基板20に形成されたグランド導体と、回路基板20に実装された給電コイルアンテナ30と、を有する。回路基板20は本発明における「基板」の例であり、上記グランド導体は本発明における「面状導体」の例である。
回路基板20は、外縁と、開口APと、この開口APの内縁と外縁とを連接するスリット部SLを有する。このスリット部SLに巻真5が通る。
図2(A)は上記腕時計101が備えるアンテナ装置の平面図および下面図である。図2(B)は図2(A)におけるX−X部分の断面図である。回路基板20は、外縁20esと、開口APと、この開口APの内縁20isと外縁20esとを連接するスリット部SLを有する。回路基板20には、それと同形状のグランド導体21が形成されている。したがって、グランド導体21は、外縁21esと、開口APと、この開口APの内縁21isと外縁21esとを連接するスリット部と、を有するC字状の面状導体である。換言すると、回路基板20はグランド導体21と略同形状のC字状である。
なお、グランド導体21および回路基板20の、上記「C字状」は「不連続部を有するリング状」ということもできる。
本実施形態において、「開口」APはグランド導体21の開口であり、回路基板20の開口でもある。
給電コイルアンテナ30は、互いに対向する第1コイル開口端30E1および第2コイル開口端30E2を有し、回路基板20に実装され、この回路基板20に形成されている給電回路に接続されている。給電コイルアンテナ30の第1コイル開口端30E1はグランド導体の外縁21esに近接する。したがって、給電コイルアンテナ30はグランド導体と磁界結合する。また、第2コイル開口端30E2はグランド導体21の開口APの内縁21isに近接し、第1コイル開口端30E1とグランド導体の外縁21esとの最小距離は、第2コイル開口端30E2とグランド導体の外縁21esとの最小距離よりも短く、第2コイル開口端30E2とグランド導体21の開口APの内縁21isとの最小距離は、第1コイル開口端30E1とグランド導体21の開口APの内縁21isとの最小距離よりも短い。すなわち、給電コイルアンテナは、その第1コイル開口端がグランド導体の外縁に近接する。この位置関係によって、給電コイルアンテナ30とグランド導体との磁界結合は強く、グランド導体のブースターアンテナとしての作用が高まる。
回路基板20には給電コイルアンテナ30以外の複数の電子部品が実装されているが、図1(B)、図2(A)(B)等においては、図の煩雑化を避けるため図示を省略している。上記アンテナ装置および前記給電回路によって通信装置が構成され、この通信装置は通信相手の装置とNFC(Near field communication)等で所定のデータ通信を行う。
回路基板20には、グランド導体21に導通する二つの接続導体用パッド21Pが形成されている。これら接続導体用パッド21Pに接続導体9が接続されている。すなわち、接続導体9はグランド導体21のスリット部21SLを横断して、グランド導体同士を接続する。この接続導体9はグランド導体21にループ状に流れる電流の経路の一部を形成する。この接続導体9は、Cuワイヤーなどの導体線に絶縁膜が被覆された被覆線である。
図1(B)に表れているように、時計ムーブメント3は平面視で、回路基板20の開口AP内に配置されていて、巻真5は回路基板20のスリット部SLに配置されている。そして、被覆線である接続導体9は、一端が二つの接続導体用パッド21Pのうち一方に接続されるとともに、他端が二つの接続導体用パッド21Pのうち他方に接続され、一端と他端との間にある部分が、スリット部SLにおいて巻真5を跳び越えるように湾曲あるいは屈曲している。すなわち、接続導体9は、スリット部SLにおいて巻真5を跳び越える形状である。接続導体9は絶縁膜が被覆された被覆線であるので、巻真5に接しても電気的には導通せず、アンテナ特性を安定化できる。
図3は、給電コイルアンテナ30の分解斜視図であり、図4は給電コイルアンテナ30の断面図である。給電コイルアンテナ30は、複数のシート10a〜10iが積層された多層基板10と、この多層基板10に形成されたコイル導体とを備えている。図3では上下の非磁性体シート10a,10iの図示を省略している。磁性体シート10bの下面には複数の第1線条部11が形成されている。磁性体シート10hの上面には複数の第2線条部12が形成されている。磁性体シート10b〜10hには複数のビア導体(層間接続導体)が形成されている。第1線条部11、第2線条部12およびビア導体が上記コイル導体である。非磁性体シート10aの下面には、コイル導体の両端につながる端子電極がそれぞれ形成されている。このようにして、横置きの扁平角筒に沿ったヘリカル状のコイル導体を備えた給電コイルアンテナ30が構成されている。
図5は、腕時計101のアンテナ装置が備えるグランド導体21に流れる電流の経路を概念的に示す図である。ここでは、回路基板20は図示していない。給電コイルアンテナ30とグランド導体21とは電磁界結合し、給電コイルアンテナ30に電流が流れることにより、グランド導体21の主に縁端部を周回する電流が誘導される。また、逆に、グランド導体21の主に縁端部を周回する電流が流れることによって、給電コイルアンテナ30に電流が誘導される。グランド導体21の主に縁端部を周回する電流が流れる際、接続導体9は電流経路の一部として作用する。
図6(A)、図6(B)は、それぞれ比較例のアンテナ装置が備えるグランド導体21に流れる電流の経路を概念的に示す図である。図6(A)の例では、円形のグランド導体21に電流が流れる際、グランド導体21の外縁に沿って誘導電流が流れる。また、図6(B)の例では、C字状のグランド導体21に電流が流れる際、誘導電流はグランド導体21の外縁、開口APの内縁、スリット部21SLのいずれの縁端に沿っても流れる。グランド導体21の外縁21esを流れる電流の旋回方向と、開口APの内縁21isを流れる電流の旋回方向とは逆であるので、グランド導体21はブースターアンテナとして有効に作用しない。
これに対し、図5に示したように、グランド導体21のスリット部21SLが接続導体9で接続されていると、グランド導体21を流れる電流のうち、スリット部21SLを流れようとする電流は、そのスリット部21SLを横断する接続導体9を流れ、スリット部21SLおよび開口APの内縁には殆ど流れない。そのため、等価的にはグランド導体21の開口APおよびスリット部21SLが無い状態となって、図6(A)の比較例と同様に、グランド導体21はブースターアンテナとして有効に作用する。なお、縁端効果により、グランド導体21に流れる電流の強度分布のピークは、グランド導体21の外縁に沿った経路となる。そのため、接続導体9は、スリット部21SLのうち、グランド導体21の外側寄りの位置にある方が好ましい。
次に、本実施形態における接続導体の有無によるアンテナ装置の特性の違いについて具体例を示す。
表1は、本実施形態のアンテナ装置のNFCによる特性を表す。表1において、括弧内の3つのパラメータは、被測定対象のアンテナ装置(本実施形態のアンテナ装置)と通信相手のアンテナ装置との各位置関係を示す。また、表1内の各数値の単位は[mV]である。
上記括弧内の3つのパラメータを(z,r,φ)で表すと、これらパラメータの意味は次のとおりである。
z:垂直方向の間隔
r:水平方向の間隔
Φ:rの方位
z=0 0mm
z=1 1mm
z=2 2mm
z=3 3mm
z=4 4mm
r=0 0mm
r=1 15mm
φ=0 0時方向
φ=3 3時方向
φ=6 6時方向
φ=9 9時方向
図9は、(z,0,0)(z,1,0)(z,1,3)(z,1,6)(z,1,9)について、それらの位置関係を示す図である。
Figure 0006288403
表1の(A)は本実施形態のアンテナ装置の特性、(B)は上記接続導体9を備えない、比較例としてのアンテナ装置の特性である。
表1において、網掛けした条件の値は1.0以下であり、規定値に満たない。本実施形態のアンテナ装置では、すべての条件で値は1.0を超えていて、利得が向上していることがわかる。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、腕時計以外の通信端末装置の例を示す。
図7は第2の実施形態に係る通信端末装置102の主要部の斜視図である。図8はこの通信端末装置102が備える回路基板20の平面図である。図8においては、回路基板20と共に給電コイルアンテナ30および接続導体9も図示している。図7では、ケース1の外形を二点鎖線で表している。
本実施形態の通信端末装置102は、アンテナ装置と、内部装置13と、外部操作部14と、内部装置13と外部操作部14との間を接続する操作軸15と、アンテナ装置、内部装置13および操作軸15を収容するケース1と、を備える。
上記アンテナ装置は、回路基板20と、この回路基板20に形成されたグランド導体21と、回路基板20に実装された給電コイルアンテナ30と、を有する。回路基板20は本発明における「基板」の例であり、上記グランド導体は本発明における「面状導体」の例である。
回路基板20は、外縁と、開口APと、この開口APの内縁と外縁とを連接するスリット部SLを有する。このスリット部SLに操作軸15が通る。
内部装置13の平面形状が矩形であること、それに応じて開口APが矩形であること、回路基板20の外形が矩形であること以外の基本構成は第1の実施形態で示した腕時計と同じである。
《その他の実施形態》
各実施形態では、「面状導体」の例として、回路基板に形成されたグランド導体を例示したが、本発明に係る「面状導体」は、グランド導体に限らず、何らかの基板に面状に拡がる導体であってもよい。
各実施形態で示したスリット部SL,21SLは本発明に係る「切欠部」の例でもあるが、この「切欠部」は、面状導体の対向する間隔が非平行となる形状であってもよい。
各実施形態では、スリット部SL,21SLの間隙方向の幅が開口APの幅より狭い例を示したが、スリット部SL,21SLの幅は開口APの幅と等しくてもよい。すなわち、スリット部と開口とが実質的に一体になっていてもよい。
各実施形態では、接続導体9が単一である例を示したが、複数の接続導体を備え、それら接続導体で、面状導体同士を接続するように構成してもよい。また、接続導体の形態はCuワイヤーなどの導体線に絶縁膜が被覆された被覆線に限らず、FPCに形成された導体パターンでもよく、グランド導体21にループ状に流れる電流の経路の一部を形成できればよい。
各実施形態では、面状導体の一箇所に「スリット部」を有する例を示したが、本発明は、複数の竜頭、巻真、外部操作部、操作軸等を備える装置にも同様に適用できる。すなわち、互いに位置が異なる複数の切欠部に、それらの面状導体同士を接続する接続導体をそれぞれ設けてもよい。
各実施形態では、面状導体の外縁が円形や矩形である例を示したが、面状導体の外縁に凹凸があってもよい。このことは開口の形状についても同様である。
各実施形態では、面状導体が平面状である例を示したが、面状導体は曲面状であってもよいし、一部が曲面状であってもよい。
また、第1の実施形態では腕時計について示したが、本発明は、懐中時計やストップウオッチ等のその他の竜頭付き時計にも同様に適用できる。
なお、各実施形態では、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を説明したが、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、磁界共鳴方式等)にも同様に適用できる。例えば、各実施形態におけるアンテナ装置は、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の受電装置に受電アンテナ装置として適用できる。この場合でも、アンテナ装置は受電アンテナ装置として機能する。非接触電力伝送システムにおいては、上述の実施形態で示した「給電回路」は受電回路または送電回路に相当する。受電回路である場合は、受電アンテナ装置に接続され、負荷(例えば、二次電池)に電力を給電する。また、送電回路である場合は、送電アンテナ装置に接続され、送電アンテナ装置に電力を給電する。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
AP…開口
SL…回路基板のスリット部
1…ケース
2A,2B…ベルト
3…時計ムーブメント
4…竜頭
5…巻真
9…接続導体
10…多層基板
10a,10i…非磁性体シート
10b〜10h…磁性体シート
11…第1線条部
12…第2線条部
13…内部装置
14…外部操作部
15…操作軸
20…回路基板(基板)
20es…基板の外縁
20is…基板の内縁
21…グランド導体(面状導体)
21es…面状導体の外縁
21is…面状導体の内縁
21P…接続導体用パッド
21SL…グランド導体のスリット部(切欠部)
30…給電コイルアンテナ
30E1…第1コイル開口端
30E2…第2コイル開口端
101…腕時計(竜頭付き時計)
102…通信端末装置

Claims (8)

  1. 面状導体と、
    前記面状導体が形成され、前記面状導体と略同形状の基板と、
    互いに対向する第1コイル開口端および第2コイル開口端を有し、前記基板に実装される給電コイルアンテナと、
    接続導体と、を有し、
    前記面状導体は、外縁と、開口と、前記開口によって形成される内縁と、前記内縁と前記外縁とを連接する切欠部と、を備え、
    前記接続導体は、前記面状導体の前記切欠部を横断して前記面状導体同士を接続し、前記面状導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成し、
    前記給電コイルアンテナの第1コイル開口端は前記面状導体の開口の内縁よりも前記外縁に近接する、
    アンテナ装置。
  2. 前記接続導体は、導体線に絶縁膜が被覆された被覆線である、請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. アンテナ装置と、内部装置と、外部操作部と、前記内部装置と前記外部操作部との間を接続する操作軸と、を備え、
    前記アンテナ装置は、
    面状導体と、
    前記面状導体が形成され、前記面状導体と略同形状の基板と、
    互いに対向する第1コイル開口端および第2コイル開口端を有し、前記基板に実装される給電コイルアンテナと、
    接続導体と、を有し、
    前記面状導体は、外縁と、開口と、前記開口によって形成される内縁と、前記内縁と前記外縁とを連接する切欠部と、を備え、
    前記接続導体は、前記面状導体の前記切欠部を横断して前記面状導体同士を接続し、前記面状導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成し、
    前記給電コイルアンテナの第1コイル開口端は前記面状導体の開口の内縁よりも前記外縁に近接する、
    ことを特徴とする通信端末装置。
  4. 前記接続導体は、導体線に絶縁膜が被覆された被覆線である、請求項3に記載の通信端末装置。
  5. アンテナ装置と、時計ムーブメントと、竜頭と、前記時計ムーブメントと前記竜頭との間を接続する巻真と、前記アンテナ装置、前記時計ムーブメントおよび前記巻真を収容するケースと、を備え、
    前記アンテナ装置は、
    面状導体と、
    前記面状導体が形成され、前記面状導体と略同形状の基板と、
    互いに対向する第1コイル開口端および第2コイル開口端を有し、前記基板に実装される給電コイルアンテナと、
    接続導体と、を有し、
    前記面状導体は、外縁と、開口と、前記開口によって形成される内縁と、前記内縁と前記外縁とを連接する切欠部と、を備え、
    前記接続導体は、前記面状導体の前記切欠部を横断して前記面状導体同士を接続し、前記面状導体にループ状に流れる電流の経路の一部を形成し、
    前記給電コイルアンテナの第1コイル開口端は前記面状導体の開口の内縁よりも前記外縁に近接する、
    ことを特徴とする竜頭付き時計。
  6. 前記基板は前記切欠部に対応する位置に形成されたスリット部を有し、前記時計ムーブメントは平面視で前記開口内に配置されていて、前記巻真は前記スリット部に配置されている、請求項5に記載の竜頭付き時計。
  7. 前記接続導体は、前記スリット部において前記巻真を跳び越える形状である、請求項6に記載の竜頭付き時計。
  8. 前記接続導体は、導体線に絶縁膜が被覆された被覆線である、請求項5から7のいずれかに記載の竜頭付き時計。
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