JP6597431B2

JP6597431B2 - アンテナ装置及び通信装置

Info

Publication number: JP6597431B2
Application number: JP2016055105A
Authority: JP
Inventors: 直広伊藤; 哲也木村; 芳輝河野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: JP2017169165A; US20170271766A1; US10305187B2

Description

本発明は、アンテナ装置及び通信装置に関する。

ＮＦＣ（Near Field Communication）に代表される磁気結合型の通信方式がスマートフォンやウェアラブル端末などの携帯情報端末にも採用され、その機能を実現するためのアンテナが搭載されている。このような携帯情報端末の軽薄短小化及び多機能化に伴い、搭載されるアンテナに対する小型化、薄型化の要求も高まっている。

アンテナの小型化にあたり、従来から使用されているループアンテナでは周辺の金属影響を受けやすいため通信距離が短くなってしまう。これに対し、磁性体に導線を巻きつけたアンテナでは金属の影響を受けにくいため通信距離が伸びることが知られている。

このような磁性体に導線を巻きつけたアンテナと、マイコンやＮＦＣ通信用ＩＣ、無線給電用ＩＣなどが搭載された基板（メイン基板）との接続にコネクタを用いる場合がある。例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）配線の作業性を向上させるケーブル中継用コネクタが開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のコネクタは、径の異なるケーブル同士を中継するものではない。すなわち、コネクタのリード線の径は数百μｍの被覆線が使われることが一般的であるが、アンテナに用いる磁性体に巻きつける１０〜１００μｍの径の導線をコネクタに直接接続してしまうと、コネクタが動いてしまいアンテナ特性がばらついてしまう。また、アンテナに用いる導線をコネクタに接続する場合、汎用コネクタを使用することができないためコストが増加してしまう。さらに、コネクタに接続可能な太い経の導線をアンテナに用いた場合、スマートフォンやウェアラブル端末などで要求される小型化、薄型化に対応することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁性体に導線を巻きつけたアンテナとメイン基板とをコネクタによって接続する場合、アンテナ特性のばらつきを抑えるとともに、小型化、薄型化を実現するアンテナ装置及び通信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、板状の磁性体と、前記磁性体に巻きつける導線と、前記導線とコネクタとを中継する基板と、前記基板に接続され、前記導線の径と異なる径の被覆線と、前記被覆線と接続された前記コネクタと、を備える。

本発明によれば、アンテナ特性のばらつきを抑えるとともに、小型化、薄型化を実現できるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態のアンテナ装置を示す図である。図２は、第１の実施形態のアンテナ装置の各層の高さを示した図である。図３は、第２の実施形態のアンテナ装置を示す図である。

従来、磁性体に導線を巻きつけたアンテナと、マイコンやＮＦＣ通信用ＩＣ、無線給電用ＩＣなどが搭載されたメイン基板とを結線する場合、直接半田付けを行うと組立工程で工数がかかってしまっていた。また、磁性体に巻きつける導線を基板まで引き回すと、引き回し部分が余計なＬＲ成分を持ってしまい通信特性に影響があったり、当該導線が細いため断線していた。このような課題を解消するため、本実施形態では、メイン基板とアンテナの接続にコネクタを用いた場合について説明する。なお、「Ｌ」はインダクタンス、「Ｒ」はレジスタンスである。

以下に添付図面を参照して、アンテナ装置及び通信装置の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のアンテナ装置を示す図である。図１では、アンテナ装置１００に対して、直交座標系であるＸＹＺ座標系を定義している。本実施形態のアンテナ装置１００は、磁気結合型のアンテナ装置であって、図１に示すように、磁性体１０と導線２０とからなるアンテナ本体１１０と、ＦＰＣ（Flexible printed circuits）３０と、コネクタ４０と、リード線５０と、保護部材６０とを主に備えている。

磁気結合型のアンテナ装置とは、特定の周波数の電波と共振を起こすことによって電波の送信又は受信を行う共振型のアンテナ装置とは異なり、通信相手となるアンテナ装置が発生する磁束と磁気的に結合することによって通信を行うものである。このため、共振型のアンテナ装置の通信距離が数メートルから数キロメートル以上であるのに対して、磁気結合型のアンテナ装置の通信距離は、例えば、１メートル以下程度である。

つまり、磁気結合型のアンテナ装置は、近距離通信あるいは近接通信用のアンテナ装置である。図１に示すアンテナ装置１００は、例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚの信号の送信又は受信を行う。

磁性体１０は、直方体状の焼結フェライトであり、例えば、短手方向（Ｘ軸方向）の長さＡが５．３ｍｍ、長手方向（Ｙ軸方向）の長さＢが８．７ｍｍである。なお、このような磁性体１０のサイズは一例であって、例えば、短手方向（Ｘ軸方向）の長さＡ、長手方向（Ｙ軸方向）の長さＢ、厚さ（Ｚ軸方向）が均等な立方体であってもよい。

磁性体１０は、板状であるが、アンテナ装置１００を実装する空間のサイズや形状等に応じ、かつアンテナ装置１００の特性上必要な通信範囲に応じた形状として任意に定めることができる。また、磁性体１０は、焼結フェライトに限られるものではなく、いわゆる強磁性体であれば、鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛、又は、これらの合金を用いてもよい。

また、磁性体１０は、可撓性を有するフレキシブルなシート状の部材（フレキシブルシート）であってもよく、装着する筐体の形状に合わせて形を自由に変えることができるものであってもよい。フレキシブルシートは、磁性粉末を樹脂に分散させてシート化した複合磁性体であってもよく、板状の磁性体１０に保護部材が貼り付けられ、磁性体１０が小片に分割されて可撓性を備えた複合磁性シートであってもよい。

導線２０は、磁性体１０の短手方向（Ｘ軸方向）に沿って巻きつけられたもの（コイル）である。導線２０は、磁性体１０に複数回巻き付けられており、本実施形態では、導線２０の巻き数は１２回（１２ターン）となっている。また、本実施形態では、隣接する導線２０同士の間隔（巻き線間隔）は、０．５６ｍｍとなっている。導線２０は、例えば、銅線を用いることができる。なお、本実施形態で示した導線２０の巻き数や導線の間隔は一例であり、アンテナ装置のサイズ、すなわち磁性体のサイズが変更された場合などは、導線の巻き数や間隔は適宜設定することができる。導線２０の両側の端部は、ＦＰＣ３０のパッド３１ａ、３１ｂに接続されている。

ＦＰＣ３０は、薄い絶縁材を用いて曲げることが可能な構造のプリント配線基板であって、本実施形態では、Ｌ字型形状であって、アンテナ本体１１０の磁性体１０の交差する２面に対向する位置に配置されている。具体的には、本実施形態では、Ｌ字型形状のＦＰＣ３０は、図１に示す磁性体１０を平面視した場合、磁性体１０の直交する側面１０ａと底面１０ｂとに対向する位置に配置されている。ＦＰＣ３０が基板の一例である。

また、ＦＰＣ３０は、導線２０とコネクタ４０とを中継する基板であって、導線２０と、コネクタ４０に接続されたリード線５０と、に接続されている。具体的には、導線２０の端部がＦＰＣ３０のパッド３１ａ、３１ｂに接続されており、パッド３１ａ、３１ｂに接続された配線３２ａ、３２ｂは、それぞれＦＰＣ３０のパッド３１ｃ、３１ｄに接続され、その結果パッド３１ｃ、３１ｄに接続されたリード線５０に接続されることになる。

コネクタ４０は、ある機能と機能を電気的に接続する為の接続部品であって、本実施形態では、アンテナ本体１１０からＦＰＣ３０を介して接続されたリード線５０に接続され、メイン基板に接続される接続部品である。

リード線５０は、ＦＰＣ３０のパッド３１ｃ、３１ｄとコネクタ４０とに接続される被覆線であり、例えば、ゴム（被覆ビニール）などで複数本の銅線を被覆した導線である。本実施形態のリード線５０は、導線２０の径と異なる径、すなわち導線２０の径より大きな径の被覆線である。リード線５０が被覆線の一例である。

ここで、ＦＰＣ３０についてさらに説明する。アンテナ本体１１０の磁性体１０に巻きつけられる導線２０は、０．１ｍｍ以下の場合が多い。また、コネクタ４０のリード線５０は０．２５ｍｍ以上の被覆線といった指定がされている場合が多い。従って、アンテナ本体１１０に直接コネクタ４０を接続しようとすると０．１ｍｍ以下の導線２０から０．２５ｍｍ以上のリード線５０に変換することが必要になってくる。そこで、本実施形態では、ＦＰＣ３０を中継することで、アンテナ本体１１０の導線２０からリード線５０への変換を行い、アンテナ本体１１０とコネクタ４０とを接続させている。そして、アンテナ本体１１０は、コネクタ４０を介してメイン基板に接続されることで、アンテナ本体１１０を用いて通信を行う装置の通信部に接続し、その通信部が外部装置と通信を行うことができる。

保護部材６０は、導線２０を巻きつけた磁性体１０と、ＦＰＣ３０とをラミネートして保護する部材であって、例えば、ポリエステルフィルムなどである。本実施形態では、図１の点線で示すように、保護部材６０は、アンテナ本体１１０とＦＰＣ３０を覆ってラミネートしている。これにより、アンテナ本体１１０とＦＰＣ３０とを固定して、衝撃に対する導線２０を保護したり、アンテナ装置１００を曲げた場合に保護することができる。さらに、磁性体１０に対する導線２０の位置も固定され、アンテナ本体１１０の等価ＬＣＲ（等価回路）のずれを防止することができる。なお、アンテナ装置の特性を理解するためには、アンテナ装置を共振器としてみて回路（ＬＣＲ）と等価に見ることがある。なお、「Ｃ」はキャパシタンスである。

図２は、第１の実施形態のアンテナ装置の各層の高さを示した図である。ウェアラブル端末やスマートフォンなどではアンテナ装置の小型化・薄型化が要求されている。従って、厚さに余裕がある場合には、磁性体（フェライト）の上にＦＰＣを形成し、そこからコネクタ用のリード線を引き出すことも可能であるが、厚さに余裕がない場合には、図２のようにアンテナ本体１１０の横にＦＰＣ３０を配置し、そこからコネクタ４０に接続されたリード線５０を引き出している。

図２の左側には、アンテナ本体１１０の高さが示されている。アンテナ本体１１０の磁性体１０は、上部にポリエステルフィルムの保護部材１１ａ、下部にポリエステルフィルムの保護部材１１ｂが接着されている。そして、保護部材１１ａ、１１ｂが接着された磁性体１０に導線２０が巻きつけられている。

図２の右側には、ＦＰＣ３０やリード線５０の高さが示されている。ＦＰＣ３０は、磁性体１０の底面１０ｂに対向する位置に配置されている。ＦＰＣ３０の上部には、粘着層３３、銅箔３４、レジスト３５が接着されており、さらにその上部にリード線５０が配置されている。

そして、図２のアンテナ本体１１０やＦＰＣ３０等の上方からポリエステルフィルムの保護部材６０ａ、下方から保護部材６０ｂが、アンテナ装置１００をラミネートして保護している。

また、ＦＰＣ３０には、周辺回路を実装してもよい。例えば、周辺回路として、共振調整用のコンデンサやＱ値調整用の抵抗、またマッチング用のＬＣＲを実装してもよい。これによって、メイン基板を簡素化できるとともに、アンテナ装置１００のばらつきを調整することができる。

すなわち、共振調整用のコンデンサの役割は、アンテナ装置のインダクタンスとFreq＝１／２π√（Ｌ・Ｃ）で表される共振周波数を調整する。ここで、Freqとは、ＮＦＣではキャリア周波数である１３．５６ＭＨｚあたりになる。また、Ｑ値調整用の抵抗は、Ｑ＝ωＬ／Ｒで表される。送信パワーを一例とすると、Ｑ値が高いとスペクトラムはピークが高く半値幅狭くなり、Ｑ値が低いとピークが低く半値幅が広くなる。しかしながら、Ｑ値が高いほうが希望周波数でより強いパワーを送信できるが、希望周波数にぴったり合わせないとパワーがロスしてしまう。従って、実際には、Ｑ値はある程度の範囲に調整することが一般的となる。また、マッチング用のＬＣＲは、Ｃ、ＲだけでなくＬを使う場合もある。これはＩＣとアンテナ装置のインピーダンスを整合させるために使用する。このような周辺回路を、メイン基板ではなくアンテナ装置１００のＦＰＣ３０側に実装させることによって、アンテナ製造時の等価ＬＣＲのばらつきを周辺回路でカバーすることができる。

アンテナ装置１００は、以下のように製造される。まず、板状の磁性体１０に導線２０を巻きつけてアンテナ本体１１０を作成する。そして、導線２０とコネクタ４０とを中継するＬ字型のＦＰＣ３０を配置し、ＦＰＣ３０に、導線２０の両端部と、コネクタ４０に接続されたリード線５０とを接続する。そして、アンテナ本体１１０とＦＰＣ３０とを上下左右から保護部材６０で覆ってラミネートする。

このように、本実施形態のアンテナ装置１００は、磁性体１０に導線２０を巻きつけたアンテナ本体１１０とメイン基板とをコネクタ４０によって接続する場合、アンテナ本体１１０の近傍に、アンテナ本体１１０とコネクタ４０とを中継するためのＬ字型形状のＦＰＣ３０を配置する。これにより、アンテナ本体１１０に用いる１０〜１００μｍの細い導線２０から、コネクタ４０に圧着・圧接できる数百μｍ程度の太さのリード線５０に変換できる。このため、アンテナ本体１１０とのメイン基板とをコネクタ４０によって接続する場合、アンテナ特性のばらつきを抑えるとともに、コストを抑えて小型化、薄型化を実現することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、アンテナ本体の近傍にＬ字型形状のＦＰＣを配置して、アンテナ本体とコネクタとを中継する構成となっていた。これに対し、本実施形態では、アンテナ本体の下方に、開口部を有するＦＰＣを配置して、アンテナ本体とコネクタとを中継するものである。

図３は、第２の実施形態のアンテナ装置を示す図である。図３では、図１と同様に、アンテナ装置２００に対して、直交座標系であるＸＹＺ座標系を定義している。本実施形態のアンテナ装置２００は、磁気結合型のアンテナ装置であって、図３に示すように、磁性体１０と導線２０とからなるアンテナ本体１１０と、ＦＰＣ１３０と、コネクタ１４０と、保護部材１６０とを主に備えている。ここで、磁性体１０と導線２０は、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

ＦＰＣ１３０は、第１の実施形態と同様にプリント配線基板であって、本実施形態では、四角形状の開口部１３０ａを有しており、アンテナ本体１１０の磁性体１０の下方に開口部１３０ａが位置するように配置されている。具体的には、図３に示すように、本実施形態のＦＰＣ１３０は、開口部１３０ａを有する口型形状の基板と、当該口型形状の１辺が延長され、その端部にコネクタ１４０を接続する四角形の基板とから形成されている。ＦＰＣ１３０が基板の一例である。

また、ＦＰＣ１３０は、導線２０とコネクタ１４０とを中継する基板であって、導線２０と、表面実装が可能なコネクタ１４０と、に接続されている。具体的には、導線２０の端部がＦＰＣ１３０のパッド１３１ａ、１３１ｂに接続されており、パッド１３１ａ、１３１ｂに接続された配線１３２ａ、１３２ｂが表面実装されたコネクタ１４０に接続されている。

コネクタ１４０は、本実施形態では、アンテナ本体１１０に接続されたＦＰＣ１３０に接続され、メイン基板に接続される、面形状の接続部品である。本実施形態のコネクタ１４０は、ＦＰＣ１３０に表面実装が可能となっているため、第１の実施形態のようなリード線５０を介さずに直接ＦＰＣ１３０に接続することができる。

保護部材１６０は、導線２０を巻きつけた磁性体１０と、ＦＰＣ１３０とをラミネートして保護する部材であって、第１の実施形態と同様に、例えば、ポリエステルフィルムなどである。本実施形態では、図３の点線で示すように、保護部材１６０は、アンテナ本体１１０とＦＰＣ１３０の口型形状の基板部分とを覆ってラミネートしている。これにより、アンテナ本体１１０とＦＰＣ１３０とを固定して、衝撃に対する導線２０を保護したり、アンテナ装置２００を曲げた場合に保護することができる。さらに、磁性体１０に対する導線２０の位置も固定され、アンテナ本体１１０の等価ＬＣＲ（等価回路）のずれを防止することができる。

また、ＦＰＣ１３０は、第１の実施形態と同様に、周辺回路を実装してもよい。また、ＦＰＣ１３０は、第１の実施形態と同様に、Ｌ字型形状に形成されて配置されていてもよい。その場合、Ｌ字型形状の基板端部を延長した先端に、本実施形態のようなコネクタ１４０を表面実装可能な四角形の基板を形成してもよい。

アンテナ装置２００は、以下のように製造される。まず、板状の磁性体１０に導線２０を巻きつけてアンテナ本体１１０を作成する。そして、導線２０とコネクタ１４０とを中継するＦＰＣ１３０を配置する。このとき、磁性体１０の下方に、ＦＰＣ１３０の開口部１３０ａが位置するように配置する。そして、ＦＰＣ１３０に、導線２０の両端部を接続し、コネクタ１４０を表面実装して接続する。そして、アンテナ本体１１０とＦＰＣ１３０とを上下左右から保護部材１６０で覆ってラミネートする。

このように、本実施形態のアンテナ装置２００は、磁性体１０に導線２０を巻きつけたアンテナ本体１１０とメイン基板とをコネクタ１４０によって接続する場合、アンテナ本体１１０の近傍に、アンテナ本体１１０とコネクタ１４０とを中継するためのＦＰＣ１３０を配置する。これにより、アンテナ本体１１０に用いる１０〜１００μｍの細い導線２０から、コネクタ１４０に変換できる。このため、アンテナ本体１１０とのメイン基板とをコネクタ１４０によって接続する場合、アンテナ特性のばらつきを抑えるとともに、コストを抑えて小型化、薄型化を実現することができる。

また、本実施形態のアンテナ装置２００では、ＦＰＣ１３０は、開口部１３０ａを有する口型形状となっており、開口部１３０ａが磁性体１０の下方に位置するように配置される。これにより、ＦＰＣ１３０に磁性体１０を安定させた状態で接続できるため、アンテナ装置２００として強度を上げることができる。

また、本実施形態のアンテナ装置２００は、ＦＰＣ１３０に表面実装が可能なコネクタ１４０を用いている。従って、第１の実施形態のようなリード線を用いることなく、導線２０からＦＰＣ１３０のパターン（配線）を介して直接コネクタ１４０に接続される。リード線は、ＦＰＣ１３０の配線と比較すると、長さや線同士の間隔がずれやすい。この長さはＲ（レジスタンス）成分に、間隔はＬ（インダクタンス）、C（キャパシタンス）成分に影響が生じてしまう。このため、リード線を用いない本実施形態のアンテナ装置２００は、リード線を用いた場合によるＬＣＲのばらつきを抑えることができる。

また、本実施形態のアンテナ装置２００は、コネクタ１４０が平面状に形成されているため、リード線を用いたコネクタと比較すると薄いため、アンテナ装置２００を薄くすることができる。さらに、リード線を用いたコネクタは手実装などが必要になるが、本実施形態のような表面実装可能なコネクタ１４０は、通常の抵抗やコンデンサなどのチップ部品と同様の方法で実装が可能となる。このため、コネクタ１４０をＦＰＣ１３０に半田付けする際の工程を簡略化することができる。

１０磁性体
１１ａ、１１ｂ保護部材
２０導線
３０、１３０ＦＰＣ
３３粘着層
３４銅箔
３５レジスト
４０、１４０コネクタ
５０リード線
６０、１６０保護部材
１００、２００アンテナ装置
１１０アンテナ本体

特開２００６−２６９１６４号公報

Claims

板状の磁性体と、
前記磁性体に巻きつける導線と、
前記導線とコネクタとを中継する基板と、
前記基板に接続され、前記導線の径と異なる径の被覆線と、
前記被覆線と接続された前記コネクタと、
を備える、アンテナ装置。
板状の磁性体と、
前記磁性体に巻きつける導線と、
前記導線とコネクタとを中継する基板と、
を備え、
前記磁性体は、直方体状であり、
前記基板は、Ｌ字型形状であって、前記磁性体の交差する２面に対向する位置に配置されている、
アンテナ装置。
板状の磁性体と、
前記磁性体に巻きつける導線と、
前記導線とコネクタとを中継する基板と、
を備え、
前記基板は、開口部を有し、前記磁性体の下方に前記開口部が位置するように配置されている、
アンテナ装置。
板状の磁性体と、
前記磁性体に巻きつける導線と、
前記導線とコネクタとを中継する基板と、
を備え、
前記磁性体は、フレキシブルシートである、
アンテナ装置。
前記基板に接続され、前記導線の径と異なる径の被覆線と、
前記被覆線と接続された前記コネクタと、
をさらに備える、請求項２〜４のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
前記基板に表面実装された前記コネクタと、
をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
前記磁性体は、直方体状であり、
前記基板は、Ｌ字型形状であって、前記磁性体の交差する２面に対向する位置に配置されている、請求項１、３、４のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
前記基板は、開口部を有し、前記磁性体の下方に前記開口部が位置するように配置されている、請求項１、２、４のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
前記導線を巻きつけた前記磁性体と、前記基板とを覆って保護する保護部材と、
をさらに備える請求項１〜８のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
前記基板は、周辺回路が実装されている、請求項１〜９のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
前記磁性体は、フレキシブルシートである、請求項１〜３のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
請求項１〜１１のいずれか一つに記載のアンテナ装置と、
前記アンテナ装置に接続され、外部と通信を行う通信部と、
を備える、通信装置。