JP6638254B2 - 空中線装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、空中線（アンテナ）装置およびそのアンテナ装置を備えた電子機器に関する。

近距離無線通信技術(NFC)を採用した携帯電話、スマートフォン、タブレット端末等が普及し、ケーブル等で接続しなくても、機器同士をかざすように近づけるだけで通信を行うことができるようになっている。これらの機器では、近接型磁気結合方式のアンテナが使用されている。近接型磁気結合方式は、アンテナ同士を近接させ、磁界を利用して磁気的に結合することで通信を行う方式である。各機器の高機能化・小型化に伴い、このアンテナの小型化も要望されている。

従来からアンテナとして、導線を環状のコイルにし、磁界を利用して通信を行うループアンテナが使用されている。しかしながら、このループアンテナは、周辺に金属が存在すると、その金属の影響を受けやすく、その影響を受けると磁界を打ち消すため、通信距離が短くなってしまう、あるいは通信ができなくなってしまうという問題があった。

そこで、金属の影響を受けにくく、通信距離を伸ばすことができるアンテナとして、磁性体にコイルを巻き付けたアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記の磁性体にコイルを巻き付けたアンテナでは、近接型磁気結合方式における通信において、通信相手のアンテナと近接させる際、近接させるアンテナの位置によって磁気的な結合が生じにくい箇所がある。このことは、無線で給電を行う無線給電においても同様である。その結果、無線通信あるいは無線給電を行うことが可能な範囲（エリア）が狭くなるという問題があった。

このため、通信あるいは無線給電を行うことが可能なエリアを広げることができる装置の提供が望まれていた。

本発明は、上記課題に鑑み、空中線装置であって、板状の磁性体と、該磁性体に巻き付けられた導線とを含み、磁性体は、少なくとも一方の面に該面の短辺方向に延びる１以上の突起、溝もしくはその両方、もしくは該面の短辺方向に延びる１以上の穴、または１以上の突起、溝もしくはその両方と１以上の穴とを有する、空中線装置が提供される。

本発明によれば、無線通信あるいは無線給電を行うことが可能なエリアを広げることができる。

アンテナ装置の第１の実施形態を示した斜視図。 アンテナ装置の第１の実施形態を示した正面図、側面図、平面図。 従来のアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 図１および図２に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第２の実施形態を示した正面図、側面図、平面図。 図５に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第３の実施形態を示した正面図、側面図、平面図。 図７に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第４の実施形態を示した正面図、側面図、平面図。 図９に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第５の実施形態を示した平面図、側面図、平面図。 図１１に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第６の実施形態を示した平面図、側面図、平面図。 図１３に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第７の実施形態を示した平面図、側面図、平面図。 図１５に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第８の実施形態を示した平面図、側面図、平面図。 図１７に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。 アンテナ装置の第９の実施形態を示した平面図、側面図、平面図。 図１９に示したアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図。

図１は、無線通信あるいは無線給電を行うために使用されるアンテナ装置の第１の実施形態を示した斜視図である。図２は、その正面図、側面図、平面図である。図１および図２では、直交座標系であるXYZ座標系を定義し、その座標系とともに図示している。アンテナ装置１０は、板状の磁性体１１と、磁性体１１に巻き付けられる導線１２とを含んで構成される。導線１２は、磁性体１１の周囲に螺旋状に巻き付けられてコイルを形成し、その両方の端部１２ａ、１２ｂは、このアンテナ装置１０を用いて無線通信あるいは無線給電を行う電子機器の通信部に接続される。通信部は、無線通信を行う場合、データを送信する送信機と、データを受信する受信機とから構成することができる。送信機や受信機は、よく知られたものであるため、ここでは詳述しないが、変調回路、復調回路、メモリ回路、制御回路等を含んで構成される。また、通信部は、無線給電を行う場合、商用交流電源に接続され、給電を行う給電回路と、受電回路とを含んで構成される。給電回路および受電回路も、よく知られたものであるため、ここでは詳述しない。

このアンテナ装置１０を用いて無線通信や無線給電を行う電子機器は、いかなる機器であってもよい。電子機器としては、例えば、RFIDタグ、ICカード、RFIDリーダライタ、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、ノートPC、PDA(Personal Digital Assistant)、ゲーム機等を挙げることができる。なお、無線給電を行う電子機器としては、そのほか、電動歯ブラシ、電動シェーバー、コードレス電話、コードレスアイロン、電動ベッド、電気自動車、電動車いす、電動自転車等を挙げることもできる。ここに例示した機器は一例であるので、これらに限定されるものではない。以下、無線通信を行うものとして、アンテナ装置１０を詳細に説明する。

アンテナ装置１０は、近接型磁気結合方式のアンテナ装置で、特定の周波数の電波と共振を起こすことにより電波の送信または受信を行う共振型のアンテナ装置とは異なる。すなわち、このアンテナ装置１０は、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で通信を行うアンテナ装置ある。共振型のアンテナ装置では、通信距離が数メートルから数キロメートルであるが、この磁気結合型のアンテナ装置では、１メートル程度である。したがって、アンテナ装置１０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。このアンテナ装置１０は、例えば、周波数が１３．５６MHzの信号を送信し、また、受信することができる。

板状の磁性体１１は、直方体状の焼結フェライトとすることができる。磁性体１１は、直方体の６つの面のうち、最も大きい２つの面（表面および裏面）の短辺方向（X軸方向）の長さAを３mm、長辺方向（Y軸方向）の長さBを１２mm、厚さ方向（Z軸方向）の長さCを０．１５mmとすることができる。この寸法は一例であり、例えば、X軸方向の長さAを６mm、Y軸方向の長さBを２４mm、Z軸方向の長さCを０．２mm等としてもよい。磁性体１１は、板状であれば、アンテナ装置１０を実装する空間のサイズや形状等に応じて、各寸法を決定することができる。

磁性体１１は、上記の焼結フェライトに限られるものではなく、強磁性体であれば、鉄、酸化鉄、酸化クロム、コバルト、ニッケル、これらの合金を用いることもできる。また、磁性体１１は、硬い板状のものに限らず、可撓性を有するフレキシブルなシート状の部材であってもよい。

導線１２は、電流を流しやすい材料を用いることができ、例えば、銅、銀、金、導電性高分子等を用いることができる。銅線２の径は、表皮効果を考慮した最適な径として決定することができる。上記の１３．５６MHzの信号を伝送するのに使用する場合、例えば、５０μmの径とすることができる。磁性体１１に巻く導線１２の巻き数は、例えば、３０回程度とすることができ、磁性体１１の周囲に巻回されている導線１２同士が接触せず、ある程度の間隔で離間し、均等になるように巻回される。このときの間隔としては、例えば、０．２５mm間隔とすることができる。図１および図２に示す導線１２の巻き方は、上記の一定の間隔を開けて巻かれることから、疎巻きと呼ばれる。

導線１２には、その表面に、絶縁性を有し、導線１２の腐食を防ぐためのエナメルコートを施すことができ、エナメルコートを施した場合の導線１２の径は、例えば６９μmとすることができる。なお、導線１２の径や巻き数は、上記の径および巻き数に限定されるものではなく、アンテナ装置１０の用途等に応じて決定することができる。

従来のアンテナ装置では、磁性体１１の表面は加工しない。したがって、突起や溝等は設けられていない。これに対し、このアンテナ装置１０では、磁性体１１の少なくとも一方の面に該面の短辺方向に延びる１以上の突起、溝もしくはその両方、または磁性体に該面の短辺方向に延びる１以上の穴が設けられる。また、１以上の突起、溝もしくはその両方と１以上の穴とが設けられていてもよい。図１および図２に示す実施形態では、断面がV字状の溝であるスリット１３が１つずつ両面に形成されている。スリット１３は、磁性体１１のY軸方向の中央付近に、磁性体１１のX軸方向に一端から他端にまで延びるように形成されている。

図２に示す例では、磁性体１１のY軸方向の中心位置と、Y軸方向の端部との長さDが、長辺方向の長さBが１２mmであれば６mmであり、２４mmであれば１２mmである。スリット１３の幅Eは、例えば３mmとすることができ、その最も深い位置における深さは、磁性体１１の強度との兼ね合いになるが、例えば、２０μmとすることができる。このスリット１３の寸法も一例であるので、この寸法に限定されるものではない。

図３は、従来のスリット１３等が設けられていないアンテナ装置に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図である。スリット１３がない場合、磁性体の一端から他端へ向けて一様に磁界が存在する。この場合、磁性体の長辺方向（Y軸方向）の中央付近では、Y軸方向へ向かう磁界のみで、それに対して垂直な法線方向、すなわちZ軸方向へ向かう磁界は存在しない。

このため、NFCで一般に使用されるループアンテナを、この磁性体の一方の面のこの中央付近に対向するように近接させても、ループアンテナを通り抜ける磁界が存在せず、この中央付近では、磁気的な結合が生じにくくなる。これでは、中央付近における通信が困難で、通信可能なエリアが狭くなってしまう。

図４は、図１および図２に示したスリット１３を設けたアンテナ装置１０に発生させた磁界のシミュレーション結果を示した図である。スリット１３を形成することで、磁性体１１の端部とスリット１３との間に磁界のループが発生し、Y軸方向の中央付近でもZ軸方向へ向かう磁界が存在している。

このため、その中央付近でもループアンテナを近接させれば、Z軸方向の磁界の存在により、磁界がそのループアンテナを通り抜け、右ねじの法則により、ループアンテナに電流が流れ、それによって通信が可能となる。図３に示す従来のアンテナ装置ではこの中央付近での通信が困難であったが、図４に示すアンテナ装置１０では、その中央付近での通信が可能となり、通信可能なエリアを広げることができる。

図１および図２に示す実施形態では、磁性体１１の両面に断面がV字状の溝であるスリット１３を形成しているが、図５に示すように、一方の面のみにスリット１３を形成したものであってもよい。一方の面のみにスリット１３を形成したものであっても、磁性体１１の端部とスリット１３との間に磁界のループが発生し、図６に示すように、その中央付近においてZ軸方向の磁界が生じさせることができるからである。

なお、一方の面だけにスリット１３を形成することで、加工する際の工数を減らすことができ、また、磁性体１１の強度も上がるため、衝撃に対する破壊に強くすることができる。

磁性体１１の少なくとも一方の面に形成するスリット１３は、磁性体１１のX軸方向の一端から他端にまで延びるように形成する必要はなく、図７に示すように、X軸方向の中央付近に一定の長さで形成してもよい。この長さは、適切にZ軸方向の磁界が生じる長さとして決定することができる。このスリット１３は、一方の面にのみ形成してもよいし、両面に形成してもよい。また、このスリット１３は、X軸方向の一端から他端へ向かう途中までの一定の長さ、あるいは他端から一端へ向かう途中までの一定の長さであってもよい。

このようにX軸方向に一定の長さで形成することにより、X軸方向全体の厚さが薄くならずに済むため、磁性体１１の強度を、図４および図５に示す実施形態に比較して高めることができる。また、一方の面にのみスリット１３を形成することで、両面にスリット１３を形成する場合に比較して磁性体１１の強度を高めることができる。なお、この場合も、図８に示すように、磁性体１１のY軸方向の中央付近でZ軸方向への磁界が存在するので、中央付近における通信が可能となり、通信可能なエリアを広げることができる。

これまでの実施形態では、磁性体１１にスリット１３を形成することを説明してきたが、スリット１３に限定されるものではない。図９に示すように、一方の面からその裏側の他方の面まで貫通した、X軸方向に延びる穴１４を形成してもよい。このような穴１４を形成し、その部分を空洞にすることで、磁性体１１の端部と穴１４との間に磁界のループが発生し、図１０に示すように、その中央付近でもZ軸方向への磁界が生じさせることができるからである。

穴１４の幅Fは、スリット１３の幅Eと同じ幅とすることができ、X軸方向への長さも、スリット１３の長さと同じ長さとすることができる。これは一例であり、適切にZ軸方向への磁界を生じさせることができれば、いかなる幅や長さであってもよい。

なお、スリット１３では、その深さにばらつきが生じると、それに伴い、Z軸方向の磁束が変化するため、アンテナのインダクタンス(L)のような特性にばらつきが生じてしまう。しかしながら、穴１４を形成することで、深さにばらつきがなくなることから、この特性のばらつきを抑制することができる。

図９に示す実施形態では、穴１４を１つのみ形成しているが、穴１４は、１つに限られるものではなく、図１１に示すように複数形成してもよい。図１１に示す実施形態では、X軸方向に一列に配列する４つの穴１４を形成している。この場合も、図１２に示すように、磁性体１１の端部と穴１４との間に磁界のループが発生し、その中央付近でもZ軸方向への磁界を生じさせることができる。

図１１に示す構成は、４つの穴を形成するため、加工する際の工数は増加するが、図９に示す１つの穴１４の途中を３箇所繋いだような構成となっているため、磁性体１１の強度を上げることができる。

これまでは、磁性体１１のY軸方向における中央付近のZ軸方向への磁界を生じさせるために、そのY軸方向の中央付近にスリット１３や穴１４を形成する例を示してきた。しかしながら、アンテナ装置１０の長さがY軸方向に長い場合、磁性体１１の端部とその中央付近との間のさらに中央付近は、Z軸方向への磁界が存在しなくなり、その部分での通信が困難になる。

そこで、図１３に示すように、スリット１３の数を増加させることができる。図１３に示す実施形態では、磁性体１１のY軸方向の両端部から長さGの位置を溝の中心とするスリット１３を２つ形成している。長さGやスリット１３の数は、磁性体１１のY軸方向の長さBに応じて適切な長さ、数として決定することができる。このように２つのスリット１３を形成すると、図１４に示すように、Y軸方向のいずれの位置に対してもZ軸方向への磁界を生じさせることができる。これにより、Y軸方向の長さが長いアンテナ装置１０に対しても、通信可能なエリアを広げることが可能となる。なお、スリット１３の幅Eや深さは、上述したスリット１３と同じ幅、深さとすることができる。

Z軸方向への磁界を生じさせることができれば、スリット１３や穴１４に限定されるものではなく、図１５に示すような突起１５を設けてもよい。図１５に示す実施形態では、磁性体１１のY軸方向の中央付近に、X軸方向の一端から他端にまで延びる断面が山形の突起１５を両面に設けている。突起１５の山の高さH、幅Iは、適切にZ軸方向への磁界を生じさせることができる高さ、幅として決定することができる。このような突起１５を設けることで、図１６に示すようなスリット１３や穴１４を形成した場合と同様の、その中央付近においてZ軸方向への磁界を生じさせることができる。

なお、突起１５を設けることで、スリット１３や穴１４とは反対に、中央付近の厚さは厚くなるため、磁性体１１の強度を上げることができる。突起１５は、図１５に示すようなその先端が尖った形状に限らず、その先端が丸みを帯びた形状であってもよい。

図１５に示す実施形態では、磁性体１１の両面に突起１５を設けているが、スリット１３の場合と同様、図１７に示すように一方の面にのみ突起１５を設けてもよい。この場合も、図１８に示すように、磁性体１１のY軸方向の中央付近においてZ軸方向への磁界を生じさせることができる。

一方の面にのみ突起１５を形成するため、加工の工数を減らすことができ、材料の節約に寄与することができる。この突起１５も、スリット１３や穴１４と同様、磁性体１１のX軸方向の一端から他端にまで延びていなくてもよく、X軸方向に一定の長さで延びるものであってもよい。また、スリット１３や突起１５は、図１１に示した穴１４と同様、１つに限られるものではなく、X軸方向に一列に配列するように複数形成されていてもよい。また、穴１４や突起１５は、図１３に示したスリット１３と同様、１つに限られるものではなく、Y軸方向に複数が平行になるように形成されていてもよい。さらには、図１３に示した各スリット１３は、X軸方向に延びる１つのスリットではなく、X軸方向に一列に配列する複数のスリットから構成されていてもよい。これは、穴１４、突起１５も同様である。

磁性体１１の一方の面または両面にスリット１３、穴１４、突起１５の各々を１つまたは複数形成することについて説明してきた。アンテナ装置１０は、Z軸方向への磁界を生じさせることができれば、磁性体１１にスリット１３、穴１４、突起１５のいずれか１つを形成することに限られるものではない。例えば、図１９に示すように、一方の面にスリット１３を形成し、その裏側の面である他方の面に突起１５を形成することもできる。この場合も、図２０に示すように、磁性体１１のY軸方向の中央付近においてZ軸方向に適切に磁界を生じさせることができる。

スリット１３と突起１５とを形成することで、両面や一方の面に突起１５を形成する場合に比較して、材料の節約に寄与することができる。また、スリット１３のみや、穴１４のみを形成する場合に比較して、磁性体１１の強度が低下するのを防ぐことができる。スリット１３の溝の深さは、図２等と同じ溝の深さとすることができ、スリット１３の幅、突起１５の幅は、図１５および図１７と同じ突起の幅とすることができる。また、突起１５の高さIは、図１５および図１７と同じ突起の高さとすることができる。

ここでは、スリット１３と突起１５とを形成する場合について説明したが、これに限られるものではない。図１１や図１３に示すように、磁性体１１には、スリット１３や穴１４を複数形成することができることから、スリット１３と穴１４、穴１４と突起１５、スリット１３と穴１４と突起１５をそれぞれ１つずつ、あるいは複数形成してもよい。また、スリット１３の幅や溝の深さ、穴１４の幅、突起１５の高さや幅は、それぞれで異なっていてもよく、これらは適切にZ軸方向への磁界を生じさせるように適宜設定することができるものである。

以上のように、磁性体１１の一方の面もしくは両面にスリット１３や突起１５、磁性体１１に穴１４を１以上設けることで、必要な箇所にZ軸方向への磁界を生じさせ、それにより、通信可能なエリアを広げることができる。通信可能なエリアが広がることで、アンテナ装置１０のどの箇所を通信相手のアンテナ装置に近接させても通信を行うことができ、通信ミスを減少させることができる。このことは、無線給電を行う場合も同様である。

これまで本発明を、空中線装置および電子機器として上述した実施の形態をもって説明してきた。しかしながら、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、他の実施の形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができるものである。また、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…アンテナ装置、１１…磁性体、１２…導線、１２ａ、１２ｂ…端部、１３…スリット、１４…穴、１５…突起

特開２０１４−１７９８５０号公報

Claims (8)

1. 空中線装置であって、
   平坦部と非平坦部とを有する板状の磁性体と、
   前記磁性体の前記平坦部と前記非平坦部とに一様に巻き付けられた導線とを含み、
   前記非平坦部は、少なくとも一方の面に該面の短辺方向に延びる１以上の突起、溝もしくはその両方、もしくは該面の短辺方向に延びる１以上の穴、または１以上の突起、溝もしくはその両方と１以上の穴とを有する、空中線装置。
2. 前記非平坦部は、前記面の長辺方向の中央に、前記短辺方向の一端から他端にまで延びる溝または突起を有する、請求項１に記載の空中線装置。
3. 前記非平坦部は、前記面の長辺方向の中央に、前記短辺方向に一定の長さで延びる溝または突起を有する、請求項１に記載の空中線装置。
4. 前記非平坦部は、前記面の長辺方向の中央に、前記短辺方向に一定の長さで延びる穴を有する、請求項１に記載の空中線装置。
5. 前記非平坦部は、前記面の長辺方向の中央に、前記短辺方向に延び、該短辺方向に一列に配列する複数の溝もしくは突起または穴を有する、請求項１に記載の空中線装置。
6. 前記非平坦部は、前記一方の面の長辺方向の中央に、前記短辺方向の一端から他端にまで延びる突起を有し、前記一方の面の裏側の他方の面の長辺方向の中央に、前記他方の面の短辺方向の一端から他端にまで延びる溝を有する、請求項１に記載の空中線装置。
7. 前記非平坦部は、前記面の長辺方向の２以上の位置に、前記短辺方向に延びる複数の溝もしくは突起または穴を有する、請求項１に記載の空中線装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の空中線装置を備え、無線通信または無線給電を行う電子機器。