JP6519299B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、ＮＦＣ（Near Field Communication：近距離無線通信）に好適なアンテナ装置に関するものである。

近年、スマートフォン等の携帯電子機器にはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：電波による個体識別）システムが搭載されており、そのための通信手段としてリーダ・ライタ等と近距離無線通信を行うためのアンテナが搭載されている。

一方、内蔵回路を外部ノイズから保護すると共に機器内で発生するノイズの不要輻射を防止するため、携帯電子機器には金属シールドが設けられている。特に最近は、薄型化、軽量化、落下等の衝撃に対する耐久性、デザイン性等を考慮して、携帯電子機器の筐体自体が樹脂製から金属製となり、金属シールドを兼ねるケースも増えてきている。しかし、一般に金属シールドは電波を妨げることから、アンテナを設ける場合には金属シールドと重ならない位置に設ける必要があり、金属シールドが広範囲に設けられているときにはアンテナの配置が問題となる。

上記問題を解決するため、例えば特許文献１に開示されたアンテナ装置は、金属層に開口部を形成すると共に当該開口部と外縁との間を連接するスリットを形成し、内径部が開口部と重なるようにアンテナコイルを配置している。このアンテナ装置によれば、コイル導体に電流が流れることにより生じる磁界を遮るように金属層に電流が流れ、そして金属層の開口部の周囲に流れる電流がスリットの周辺を通り、縁端効果により金属層の周囲にも電流が流れる。これにより、金属層からも磁界が生じ、金属層が磁束を大きく周回させるので、アンテナ装置と相手側アンテナとの通信距離を延ばすことができる。すなわち、アンテナ装置の通信距離を広げるアクセラレータとして金属層を機能させることができる。

特許第４６８７８３２号公報

上述した従来のアンテナ装置はいわゆる平面コイルアンテナであるが、巻線型の立体的なコイルアンテナも知られている。この種のコイルアンテナは、平面コイルアンテナよりもインダクタンスを高めやすく、より多くの磁束を発生させることができ、小型化も可能である。

しかしながら、巻線型のコイルアンテナは指向性が強すぎるだけでなく、アンテナサイズを小さくした場合には相手方アンテナと鎖交可能な大きなループ磁束を発生させることができないため、近距離無線通信用のアンテナとして実用上の問題がある。

したがって、本発明の目的は、巻線型のアンテナコイルを用いて構成され、近距離無線通信に適した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、巻芯部及び前記巻芯部の一端及び他端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部を有する磁性コアと、前記巻芯部に巻回された巻線からなるアンテナコイルと、前記アンテナコイルのコイル軸方向と平行に配置された金属層とを備え、前記金属層は、平面視で前記第１の鍔部の少なくとも一部と重なるスリットを有することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナコイルから発生する磁束をスリットから金属層の外側に放射させることができ、金属層の周りを大きく周回させることができる。したがって、巻線型アンテナコイルの指向性を広げることができ、近距離無線通信に好適なアンテナ特性を実現することができる。

本発明において、前記第２の鍔部は前記金属層に覆われていることが好ましい。この構成によれば、アンテナコイルの指向性を広げることができると共に、相手方アンテナとの間の通信距離を延ばすことができる。

本発明において、前記金属層は、平面視で前記第２の鍔部の少なくとも一部と重なる領域に形成された切り欠きをさらに有することもまた好ましい。この構成によれば、アンテナコイルの指向性の広がりが少し抑えるものの金属層と直交する方向の通信距離をさらに延ばすことができ、指向性の広がりと通信距離とのバランスを向上させることができる。

本発明において、前記金属層と対向する前記第１の鍔部の端面から前記金属層までの第１の距離は、前記金属層と対向する前記第２の鍔部の端面から前記金属層までの第２の距離よりも短いことが好ましい。第１の鍔部を第２の鍔部よりも金属層に近づけることで磁束がスリットを通過しやすくなるので、通信距離を延ばすことが可能となる。

本発明において、前記アンテナコイルは携帯電子機器の筐体内に設けられており、前記金属層は、前記筐体の少なくとも一部であることが好ましい。アンテナ装置が内蔵される携帯電子機器の筐体が金属層で構成されている場合には、携帯電子機器の耐久性やデザイン性を向上させることができるが、金属層のシールド効果によってアンテナ装置が通信できなくなるという問題がある。しかし、本発明によればそのような問題を解決することができるだけでなく、アンテナコイルの放射特性を改善することができる。

本発明によるアンテナ装置は、前記筐体内に設けられたプリント基板をさらに備え、前記アンテナコイル及び前記磁性コアは前記プリント基板上に表面実装されたコイル部品を構成していることが好ましい。この構成によれば、携帯電子機器を構成する他の電子部品と同様に、アンテナコイルをプリント基板上に表面実装することができ、アンテナコイルを筐体内に容易に設置することができる。

本発明によれば、巻線型のコイルアンテナを採用した場合でも、指向性が広く、近距離無線通信に適した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の実施の形態によるアンテナ装置の構成を透過的に示す略平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿ったアンテナ装置の略側面断面図である。 図３は、アンテナコイルに対する金属層及びスリットの作用を説明するための略断面図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。 図５は、本発明の第３の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。 図６は、本発明の第４の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略平面図である。 図７は、本発明の第５の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。

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の実施の形態によるアンテナ装置の構成を透過的に示す略平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿ったアンテナ装置の略側面断面図である。

図１及び図２に示すように、このアンテナ装置１は、ドラム型の磁性コア１１に巻回された巻線型のアンテナコイル１２と、アンテナコイル１２の上方を覆う金属層２１とを備えている。磁性コア１１及びアンテナコイル１２は、表面実装可能な巻線型のコイル部品１０を構成する。金属層２１は携帯電子機器の筐体２０を構成するものであり、アンテナコイル１２のコイル軸（Ｙ軸）と実質的に平行に配置されている。なお、アンテナコイル１２から見て金属層２１側が上方、反対側が下方であるものとする。

磁性コア１１は、巻芯部１１ａと、巻芯部１１ａの一端及び他端にそれぞれ設けられた一対の鍔部１１ｂ，１１ｃとを有している。巻芯部１１ａの中心軸方向はＹ軸方向である。磁性コア１１は、一方及び他方の鍔部１１ｂ，１１ｃ（第１及び第２の鍔部）の各々の上端面が金属層２１側に位置し、一方及び他方の鍔部１１ｂ，１１ｃの各々の下端面が金属層２１と反対側に位置するように携帯電子機器の筐体２０の内部に配置されている。磁性コア１１のサイズ（縦×横×高さ）は例えば２×２×２（ｍｍ）とすることができる。

アンテナコイル１２はいわゆるヘリカルアンテナであり、磁性コア１１の巻芯部１１ａに巻かれた立体的な巻線構造を有している。アンテナコイル１２のターン数は特に限定されず、所望のアンテナ特性に応じて適宜設定される。巻線型のアンテナコイルによれば、平面コイルパターンに比べて平面サイズを小さくすることができ、アンテナ装置の小型化及び省スペース化を図ることができる。

本実施形態において、コイル部品１０は筐体２０内のプリント基板３０上に実装されている。アンテナコイル１２の一端１２ａは第１の鍔部１１ｂに設けられた信号端子１１ｄ_１に接続されており、アンテナコイル１２の他端１２ｂは第２の鍔部１１ｃに設けられた信号端子１１ｄ_２に接続されている。磁性コア１１の第１及び第２の鍔部１１ｂ，１１ｃにはハンダ実装用のダミー端子１１ｅ_１，１１ｅ_２がそれぞれ設けられており、４つの端子（１１ｄ_１，１１ｄ_２，１１ｅ_１，１１ｅ_２）がプリント基板３０上の４つのランド３１ａに半田付けされることで磁性コア１１は機械的に固定される。アンテナコイル１２の両端（１２ａ，１２ｂ）は、一対の信号端子１１ｄ_１，１１ｄ_２を通じて例えばプリント基板３０上に実装されたＮＦＣチップ（不図示）に接続される。

金属層２１は平面視で第１の鍔部１１ｂと重なるスリットＳＬを有している。スリットＳＬは、金属層２１内の第１の金属面２１Ａと第２の金属面２１Ｂとに挟まれた直線状の領域であり、Ｘ方向に一定の幅で真っ直ぐ延びて第１の金属面２１Ａと第２の金属面２１Ｂとを分断している。スリットＳＬの幅Ｗ_０は、当該スリットＳＬの幅方向と同一方向（Ｙ方向）における第１の鍔部１１ｂの幅Ｗ_１と同じあってもよく、幅Ｗ_１よりも狭くてもよく、幅Ｗ_１よりも広くてもよいが、鍔部１１ｂの幅Ｗ_１の５倍以下であることが好ましく、２倍以下であることが特に好ましい。スリットＳＬは第１の鍔部１１ｂの全部と重なっていることが好ましいが、第１の鍔部１１ｂの一部と重なっているだけでもよい。

上記のように、携帯電子機器の筐体２０が金属層２１で構成されている場合には、携帯電子機器の耐久性やデザイン性を向上させることができるが、筐体２０内のアンテナコイル１２が金属層２１に覆われ、金属層２１のシールド効果によってアンテナコイル１２を用いた通信ができなくなる。しかし、本実施形態では金属層２１にスリットＳＬを設けることで磁束を金属層２１の外側に放射させることができ、さらに金属層２１を利用してアンテナコイル１２の指向性を改善することができる。

図３は、アンテナコイル１２に対する金属層２１及びスリットＳＬの作用を説明するための略断面図である。

図３に示すように、アンテナコイル１２に電流が流れるとき、アンテナコイル１２の内径部１２ｃを貫く磁束φが発生し、この磁束φは例えば第１の鍔部１１ｂ側から出射した後、アンテナコイル１２の外側を通って第２の鍔部１１ｃ側に戻るループを構成する。このとき、磁束φの一部は第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂ上に入射し、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂの各々にはこの磁束を打ち消そうとする方向の電流が流れ、この電流は縁端効果により渦電流となる。

金属層２１にスリットＳＬが形成されている場合、アンテナコイル１２と鎖交する磁束φの他の一部は、第１の鍔部１１ｂの上端面Ｓｂから上方に出射し、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂ間のスリットＳＬを通過して金属層２１の外側に放射される。そしてスリットＳＬを通過した磁束φは、スリットＳＬを内側とし、第２の金属面２１Ａ，２１Ｂの外縁を外側とする経路を通って大きく迂回しようとする。その結果、磁束φは大きなループを描き、リーダ・ライタのアンテナコイルと磁気的に結合する。特に、第２の金属面２１Ｂの平面サイズをアンテナコイル１２に対して十分に大きくすることでより大きなループ磁界を生じさせることができ、アンテナコイル１２の指向性を広げることができる。

巻線型のアンテナコイル１２は指向性が鋭いので、コイル軸方向の通信距離を延ばすことは容易であるが、電波の広がりが小さく、近距離無線通信用アンテナとして使用することは難しかった。しかし、アンテナコイル１２が収容される筐体２０を構成する金属層２１を利用することで指向性を広げることができ、これにより近距離無線通信用アンテナとして使用することが可能となる。特に、コイル軸方向を金属層２１とほぼ平行にすると共に、第１の鍔部１１ｂが金属層２１のスリットＳＬと平面視で重なるようコイル部品１０を配置することにより、金属層２１と直交する方向の通信距離を確保しつつ指向性を広げることができる。

また巻線型のアンテナコイル１２のコイル軸を金属層２１とほぼ平行にした場合には、金属層２１と平行な方向の指向性が強くなる反面、金属層２１と垂直なＺ軸方向の指向性は弱くなり、Ｚ軸方向の通信距離が短くなる。しかし、本実施形態においては、磁性コア１１の第１の鍔部１１ｂの上端面ＳｂからＺ軸方向に漏れ出す磁束がスリットＳＬを通過して金属層２１の外側に送り出されるので、第１及び第２の金属面２１Ａ，２１Ｂのブースト効果によってＺ軸方向の指向性を強めることができ、これにより通信距離を延ばすことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置１は、アンテナコイル１２から発生する磁束を金属層２１の外側に放射させることができ、金属層２１の周りを大きく周回させることができる。したがって、巻線型のアンテナコイル１２の指向性を広げることができ、近距離無線通信に好適なアンテナ特性を実現することができる。

また本実施形態によれば、表面実装可能な巻線型のコイル部品１０を用いていることから、コイル部品１０の作製及び取り扱いが容易であり、またプリント基板３０上への表面実装が可能であり、アンテナコイル１２を筐体２０内に容易に設置することができる。さらに、第１の鍔部１１ｂがアンテナコイル１２と鎖交する磁束の磁路として機能し、磁束を収束させてスリットＳＬに導くことにより、できるだけ多くの磁束を金属層２１の外側に放射させることができ、アンテナ特性を向上させることができる。

図４は、本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。

図４に示すように、このアンテナ装置２の特徴は、金属層２１と対向する第１の鍔部１１ｂの上端面Ｓｂから金属層２１までの距離Ｈ_１が、第２の鍔部１１ｃの上端面Ｓｂから金属層２１までの距離Ｈ_２よりも短い点にある。このような構成を実現するため、本実施形態においては、スリットＳＬの延在方向（Ｘ方向）と直交するＺ方向における第２の鍔部１１ｃの幅Ｗ_３を、当該Ｚ方向における第１の鍔部１１ｂの幅Ｗ_２よりも狭くしている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第１の鍔部１１ｂの上端面ＳｂからスリットＳＬまでの距離Ｈ_１が短い場合には、第１の鍔部１１ｂから出射した磁束φの多くをスリットＳＬ内に送り込むことができ、これにより金属層２１と直交する方向の通信距離を延ばすことができる。一方、第２の鍔部１１ｃの上端面ＳｂからスリットＳＬまでの距離Ｈ_２が長い場合には、金属層２１が第２の鍔部１１ｃを通ってアンテナコイル１２と鎖交する磁束φに与える影響を抑えることができ、アンテナ特性の低下を回避することができる。

図５は、本発明の第３の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。

図５に示すように、このアンテナ装置３の特徴は、第２の実施の形態と同様、金属層２１と対向する第１の鍔部１１ｂの上端面Ｓｂから金属層２１までの距離Ｈ_１が、第２の鍔部１１ｃの上端面Ｓｂから金属層２１までの距離Ｈ_２よりも短い点にある。ただし、第１の鍔部１１ｂと第２の鍔部１１ｃの大きさは同じであり、巻芯部１１ａに対する取り付け位置が異なる点が第２の実施の形態と異なっている。第１の鍔部１１ｂは、上端面Ｓｂが相対的に金属層２１に近づくように偏って巻芯部１１ａに取り付けられており、逆に第２の鍔部１１ｃは、上端面Ｓｂが相対的に金属層２１から離れるように偏って巻芯部１１ａに取り付けられている。以上の構成により、本実施形態は、第２の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

図６は、本発明の第４の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略平面図である。

図６に示すように、このアンテナ装置４の特徴は、金属層２１の第２の金属面２１Ｂに切り欠き２１ｃを設け、切り欠き２１ｃが第２の鍔部１１ｃの少なくとも一部と平面視で重なる領域に形成されていることにより、第２の鍔部１１ｃが露出している点にある。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施形態によれば、第２の鍔部１１ｃの上端面Ｓｂが第２の金属面２１Ｂに覆われることなく露出しているので、第２の鍔部１１ｃの上端面Ｓｂを通過した磁束φを金属層２１の外側に送り出すことができる。これにより、アンテナコイル１２の指向性の広がりは少し抑えられるものの、Ｚ軸方向の通信距離をさらに延ばすことができ、指向性の広がりと通信距離とのバランスを向上させることができる。

図７は、本発明の第５の実施の形態によるアンテナ装置の構成を示す略断面図である。

図７に示すように、このアンテナ装置５の特徴は、金属層２１が筐体２０の構成要素ではなく、コイル部品１０が実装された基板４０上に形成されている点にある。基板４０は筐体２０内に設けられており、金属層２１は筐体２０と対向する基板４０の一方の主面に形成されており、基板４０の他方の主面にはコイル部品１０が固定されている。本実施形態において、第１及び第２の鍔部１１ｂ、１１ｃの上端面Ｓｂは、例えば接着剤を用いて基板４０の表面に接着固定されているが、第１の実施の形態のように半田付けによって固定してもよい。以上の構成により、本実施形態は、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

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。

１〜５ アンテナ装置
１０ コイル部品
１１ 磁性コア
１１ａ 巻芯部
１１ｂ 第１の鍔部
１１ｃ 第２の鍔部
１１ｄ_１，１１ｄ_２ 信号端子
１１ｅ_１，１１ｅ_２ ダミー端子
１２ アンテナコイル
１２ａ アンテナコイルの一端
１２ｂ アンテナコイルの他端
１２ｃ アンテナコイルの内径部
２０ 筐体
２１ 金属層
２１Ａ 第１の金属面
２１Ｂ 第２の金属面
３０ プリント基板
３１ａ ランド
４０ 基板
Ｓｂ 第１の鍔部の上端面
ＳＬ スリット

Claims (9)

1. 巻芯部及び前記巻芯部の一端及び他端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部を有する磁性コアと、
   前記巻芯部に巻回された巻線からなるアンテナコイルと、
   前記アンテナコイルのコイル軸方向と平行に配置された金属層とを備え、
   前記金属層は、平面視で前記第１の鍔部の少なくとも一部と重なるスリットを有し、
   前記第２の鍔部は前記金属層に覆われていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記金属層と対向する前記第１の鍔部の端面から前記金属層までの第１の距離は、前記金属層と対向する前記第２の鍔部の端面から前記金属層までの第２の距離よりも短い、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナコイルは携帯電子機器の筐体内に設けられており、
   前記金属層は、前記筐体の少なくとも一部である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記筐体内に設けられたプリント基板をさらに備え、
   前記アンテナコイル及び前記磁性コアは前記プリント基板上に表面実装されたコイル部品を構成している、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 巻芯部及び前記巻芯部の一端及び他端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部を有する磁性コアと、
   前記巻芯部に巻回された巻線からなるアンテナコイルと、
   前記アンテナコイルのコイル軸方向と平行に配置された金属層とを備え、
   前記金属層は、平面視で前記第１の鍔部の少なくとも一部と重なるスリットを有し、
   前記金属層と対向する前記第１の鍔部の端面から前記金属層までの第１の距離は、前記金属層と対向する前記第２の鍔部の端面から前記金属層までの第２の距離よりも短いことを特徴とするアンテナ装置。
6. 前記アンテナコイルは携帯電子機器の筐体内に設けられており、
   前記金属層は、前記筐体の少なくとも一部である、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記筐体内に設けられたプリント基板をさらに備え、
   前記アンテナコイル及び前記磁性コアは前記プリント基板上に表面実装されたコイル部品を構成している、請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 巻芯部及び前記巻芯部の一端及び他端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部を有する磁性コアと、
   前記巻芯部に巻回された巻線からなるアンテナコイルと、
   前記アンテナコイルのコイル軸方向と平行に配置された金属層とを備え、
   前記金属層は、平面視で前記第１の鍔部の少なくとも一部と重なるスリットを有し、
   前記アンテナコイルは携帯電子機器の筐体内に設けられており、
   前記金属層は、前記筐体の少なくとも一部であり、
   前記筐体内に設けられたプリント基板をさらに備え、
   前記アンテナコイル及び前記磁性コアは前記プリント基板上に表面実装されたコイル部品を構成していることを特徴とするアンテナ装置。
9. 前記金属層は、平面視で前記第２の鍔部の少なくとも一部と重なる領域に形成された切り欠きをさらに有する、請求項８に記載のアンテナ装置。