JPWO2007060792A1 - コイルアンテナおよび携帯電子機器 - Google Patents

Abstract

リーダライタに対してかざす携帯電子機器の位置ずれ方向に対して垂直な仮想中心線を挟む両側に、それぞれ巻線（２Ａ），（２Ｂ）を巻回したコイルユニット（３Ａ），（３Ｂ）を配置するとともに、それらの巻線（１Ａ），（１Ｂ）の巻回方向が同一となるように巻線（２Ａ），（２Ｂ）を導体（４）で直列接続する。携帯電子機器がリーダライタの中央部にかざされた場合と、中央部から偏ってかざされた場合とでの通信性能の変化を抑え、特に携帯電子機器がリーダライタの周辺部にかざされた場合でも所定の通信可能最大距離を確保する。

Description

この発明は携帯電子機器内に備えるコイルアンテナおよびそれを備えた携帯電子機器に関するものである。

近年、鉄道の自動改札機、建物の入退出におけるセキュリティシステム、または電子マネーシステムの分野では、非接触式のＩＣカードやＩＣタグなどを用いた、いわゆるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification：非接触データ識別技術、電波方式認識）システムの導入が進められている。

このＲＦＩＤシステムは、データの送受信および記憶を行うＩＣチップと平面コイルとが内蔵されている非接触式ＩＣカードと、この非接触式ＩＣカードに対してデータの書き込みや読み出しを行うリーダ／ライタとから構成されており、平面コイルにリーダ／ライタからの磁束が通るような状態で、非接触式ＩＣカードとリーダ／ライタとの間で通信を行うことができる。

ところで近年、上述したＲＦＩＤシステムにおける非接触ＩＣカードの代わりに、ＩＣチップを内蔵した携帯電話機とリーダ／ライタとの間で通信を行う技術が実用化されつつある。

このようなＩＣチップを内蔵した携帯電話機では、ループ面積の大きなコイルや、磁性体コアにコイルを巻回して構成したコイルアンテナが筐体内に配置されている。そのため、この携帯電話機は、リーダ／ライタのアンテナから出る磁束がコイルアンテナのコイルを通るように携帯電話機をリーダ／ライタのアンテナにかざして用いられる。

このような非接触ＩＣカードのチップを内蔵した携帯電話機等では、上記平面コイルを携帯電話機の筐体のいずれか一方の面（表面付近）に設けることになるが、携帯電話機の内部はアース電極を含む回路基板や金属製のバッテリケース等があり、磁束が通りにくいため、通信距離があまり長くならないという問題があった。また、例えば携帯電話機の向きを表裏逆にしてリーダ／ライタにかざすと通信が全くできない場合が生じるなど、方向によって感度が変化するという問題もあった。

このようなＲＦＩＤメディアの１つである非接触ＩＣカード（ＲＦＩＤメディア）で、必要な電力を効率良く受けることを目的としたものが特許文献１に開示されている。この特許文献１の非接触ＩＣカードは、データ・信号を非接触で授受する通信用アンテナと、空隙を介して給電コイルと対向した状態で給電コイルとの間で電磁誘導が生じる複数の受電コイルとを備え、受電の際には給電コイルから非接触で電磁誘導による給電を受けるように構成したものである。

またリーダライタのコイルアンテナに対してＲＦＩＤメディアが垂直方向に設置された場合でも両者間での通信が可能となるようにしたものが特許文献２に示されている。
この特許文献２に示されている非接触ＩＣタグの構造を図１に示す。この非接触型ＩＣタグは、樹脂シート等のベース基材２５０の上に、外部からの情報の書き込みおよび読出しが可能なＩＣモジュール２１０が搭載されるとともに、リーダライタからの電磁誘導によりＩＣモジュール２１０に電力を供給し、ＩＣモジュール２１０に対する情報の書き込みと読出しを行う導電性のアンテナ部２２０が設けられている。このアンテナ部２２０は、２つのコイル状アンテナ２２１ａ，２２１ｂが８の字を描くよう直列接続されてＩＣモジュール２１０に接続されている。
特開２０００−２０１４４２号公報 特開２００４−１２６７５０号公報

しかし、このような従来のＲＦＩＤメディアでは、携帯電子機器をリーダライタにかざして使用者の認証や料金決裁等のための通信を行う時に、携帯電子機器中の通信用アンテナの位置によって、すなわちリーダライタの中央部にかざされた場合と中央部から偏って（中央部からずれて）かざされた場合とで通信性能（通信距離）が大きく変化してしまう。このことは、ＲＦＩＤメディアがリーダライタの周辺部にかざされた場合に通信可能距離が短くなるという問題として端的に現れる。

特許文献１の非接触ＩＣカードでは、ＲＦＩＤメディア内に複数の受電コイルを持つことによって受電効率を上げることができるが、通信用アンテナコイルは１つであり、リーダライタに対してＲＦＩＤメディアが偏ってかざされた場合に通信性能が劣化するという問題は改善できない。

また、特許文献２は、ＲＦＩＤメディアとリーダライタとの位置関係を従来の対向方向から垂直方向にしても所定の通信距離を確保することが目的であり、リーダライタにＲＦＩＤメディアが偏ってかざされた場合に通信性能が劣化するという問題が依然として残る。しかも、複数のアンテナコイルを巻回方向が逆になるようにした状態で直列接続しているため、双方のコイルに磁束が通ると誘導電流が打ち消しあって、通信距離がむしろ短くなるという問題が生じる。

そこで、この発明の目的は、携帯電子機器がリーダライタの中央部にかざされた場合と、中央部から偏って（中央部からずれて）かざされた場合とでの通信性能の変化を抑え、特に携帯電子機器がリーダライタの周辺部にかざされた場合の通信可能距離の短縮化という問題を解消したコイルアンテナおよびそれを備えた携帯電子機器を提供することにある。

この発明のコイルアンテナは、第１主面およびそれに対向する第２主面を有する板状の筐体を備える携帯電子機器の、筐体の各主面の長軸方向または短軸方向に想定した仮想中心線を挟む両側に、それぞれ巻線を巻回した複数のコイルユニットを配置するとともに、各コイルユニットの巻線の巻回方向が同一となるように、各コイルユニットの巻線を導体で接続したことを特徴としている。
前記複数のコイルユニットの巻線のコイル軸は前記筐体の主面に対して垂直とする。
また、上記筐体の辺に沿った外周部に上記導体を配置する。

この発明によれば、コイルアンテナを設ける電子機器の筐体の仮想中心線を挟む両側にコイルユニットを配置するとともに各コイルユニットの巻線の巻回方向が同一となるようにそれらの巻線が導体で直列接続されているため、その携帯電子機器のリーダライタへのかざす位置が中央部からずれて周辺部に偏ったとしても、少なくとも１つのコイルユニットがリーダライタ側のアンテナと強く結合する状態になる確率が高くなって、通信性能が急激に劣化することなく、リーダライタとの通信可能距離を長く保てる。

また、携帯電子機器の板状をなす筐体の辺に沿った外周部にコイルユニット同士を接続する導体を配置することによって、その導体もコイルアンテナの一部を構成し、ループ面積が広くなることにより、利得が高まると共にリーダライタの中央部からの偏りに対する通信性能の劣化の度合いを更に緩和できる。

特許文献２の非接触型ＩＣタグの例を示す図である。 第１の実施形態に係るコイルアンテナおよびそれを備えた携帯電話機の構成を示す図である。 リーダライタに対する携帯電話機の位置ずれの様子を示す図である。 第２の実施形態に係るコイルアンテナおよびそれを備えた携帯電話機の構成を示す図である。 第３の実施形態に係るコイルアンテナおよびそれを備えた携帯電話機の構成を示す図である。 この発明の実施例であるコイルアンテナの構成を示す図である。 同コイルアンテナの位置ずれと通信可能な最大距離との関係を示す図である。

符号の説明

１−磁性体コア
２−巻線
３−コイルユニット
４−導体
１０−ＲＦＩＤ用基板
１１−電池パック
１２，１３−金属板
１４−コンデンサ
２０−主筐体
２１−副筐体
３０−リーダライタアンテナ
１００−コイルアンテナ
１０１−携帯電話機

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るコイルアンテナを備えた携帯電話機の構成を示す図であり、携帯電話機の主筐体に対して副筐体を僅かに開いた状態で主筐体側から見た図である。但し、主筐体の内部の構造を透視した様に表している。

主筐体２０および副筐体２１はそれぞれ板状をなし、それぞれの一辺で開閉自在にした、いわゆるクラムシェル型の筐体を構成している。主筐体２０にはキーボードを備え、副筐体２１には液晶パネルを備えている。
主筐体２０の内部には、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂを含むコイルアンテナ１００、ＲＦＩＤ用基板１０、図示されていない主筐体側基板、電池パック１１等を備えている。

コイルユニット３Ａ，３Ｂは、それぞれフェライトからなる磁性体コア１Ａ，１Ｂと、その回りに巻回した巻線２Ａ，２Ｂとから構成している。この２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂはそれらの巻線の一端同士を導体４で接続するとともに、巻線の他端をＲＦＩＤ用基板１０に接続している。この時、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂの巻線２Ａ，２Ｂの巻回方向が同一となるように導体４で巻線２Ａ，２Ｂを直列接続している。また、コイルユニット３Ａ，３Ｂの巻線２Ａ，２Ｂのコイル軸は、主筐体２０の主面に対して垂直である。

上記２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂは、主筐体２０の図中一点鎖線で示す中心線（仮想中心線）を挟む両側に、且つなるべく中心線から離れる位置に配置している。

図３は、リーダライタに対する携帯電話機の偏りの例を示す図である。携帯電話機１０１ｘ０はリーダライタアンテナ３０に対して適正な位置にかざした状態を示している。この時、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂはリーダライタアンテナ３０とほぼ等しく磁界結合をする。携帯電話機１０１ｘｐはリーダライタアンテナ３０の中心より＋Ｘ方向に所定量変位した状態を示している。また携帯電話機１０１ｘｎは−Ｘ方向に所定量変位した状態を示している。但し、図示の都合上、リーダライタの面からの高さを異ならせているが実際には同一高さである。

このように携帯電話機１０１がリーダライタアンテナ３０からＸ軸方向に変位しても、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂのうち一方のコイルユニットがリーダライタアンテナ３０の中央部に近くなって強く磁界結合する。その結果コイルアンテナ全体の利得は殆ど低下することはない。すなわち、携帯電話機が１０１ｘｐで示す位置に携帯電話機がある時、コイルユニット３Ｂとリーダライタアンテナ３０との磁界結合が弱くなるが、コイルユニット３Ａとリーダライタアンテナ３０との磁界結合が強くなる。また、携帯電話機が１０１ｘｎで示す位置にある時、コイルユニット３Ａとリーダライタアンテナ３０との磁界結合が弱くなるが、コイルユニット３Ｂとリーダライタアンテナ３０との磁界結合が強くなる。

このようにリーダライタへの携帯電話機のかざす位置が中央部から上記中心線の直交方向にずれたとしても、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂのうち一方のコイルユニットがリーダライタ側のアンテナと強く結合する状態になるため、通信性能が急激に劣化することがなく、リーダライタとの通信可能距離を長く保てる。

なお、この第１の実施形態においては２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂの巻線２Ａ，２Ｂを直列接続したが、これらを並列接続してもよい。

《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係るコイルアンテナを備えた携帯電話機の構成を示す図である。図２に示したコイルアンテナと異なるのは、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂ間を接続する導体４の構成である。この図３に示す例では、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂの巻線２Ａ，２Ｂの一端同士を接続する導体４を、電池パック１１の外側を通る主筐体２０の三辺に沿った外周部に配置している。

このように２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂの巻線同士を接続する導体４を主筐体２０の辺に沿った外周部に配置したことにより、コイルユニット３Ａ，３Ｂの磁性体コア１Ａ，１Ｂを通る磁束だけでなく、導体４が構成するループ面内を鎖交する磁束によっても電磁誘導が生じるので、コイルアンテナの利得がその分高まる。また主筐体２０の面方向に沿って図中一点鎖線で示す中心線に垂直な方向（Ｘ軸方向）の変位だけでなく、中心線方向（Ｙ軸方向）への変位についても利得変化が抑制されるので、位置ずれの許容範囲が広がることになる。

《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係るコイルアンテナを備えた携帯電話機の構成を示す図である。図４に示した例ではＲＦＩＤ用基板１０に近い位置に２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂを配置したが、図５の（Ａ）に示すように２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂに巻回している巻線の一端同士を接続する導体４の距離よりも、それらの巻線の他端とＲＦＩＤ用基板１０とを接続する導体４′の距離を長くしてもよい。

また、図２・図４に示した例では、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂを、中心線を対称軸とするほぼ線対称の位置に配置したが、図５の（Ｂ）に示すように、２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂを、一点鎖線で示す中心線に対して非対称の位置に配置してもよい。

また、図５の（Ｃ）に示すように、３つのコイルユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃを設けてもよく、その数が４つ以上であってもよい。さらに一点鎖線で示す中心線を挟んで両側に必ずしも同数だけ配置する必要はない。

また、図４や図５の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示した例では、図中一点鎖線で示す中心線（仮想中心線）を、板状を成す主筐体の主面の長軸方向に想定したが、図５の（Ｄ）に一点鎖線で示すように、主筐体の主面の短軸方向に仮想中心線を想定してもよい。すなわち、図５（Ｄ）に示すように、主筐体の主面の短軸方向の仮想中心線を挟む両側にコイルユニット３Ａ，３Ｂを設けてもよい。

また、同様にして図５（Ｅ）に２本の一点鎖線で示すように、板状を成す主筐体の主面の長軸方向と短軸方向にそれぞれ仮想中心線を想定してもよい。すなわち、図５（Ｅ）に示すように、長軸方向に想定した仮想中心線を挟む両側にコイルユニット３Ａ，３Ｂを設け、短軸方向に想定した仮想中心線を挟む両側にコイルユニット（３Ａ，３Ｂ）とコイルユニット３Ｃとを設けてもよい。

次に、この発明のコイルアンテナの実施例を、図６を基に説明する。
２つのコイルユニットを用いたコイルアンテナの特性を定量的に測定するために図６に示すコイルアンテナを作成した。図６の（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその筐体厚み方向の断面図である。コイルユニット３Ａ，３Ｂの巻線２Ａ，２Ｂの巻数を６とし、この２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂを導体４で接続してなる直列回路に対して共振周波数調整用コンデンサ１４を接続し、コイルアンテナの共振周波数が１３．５６ＭＨｚとなるように、このコンデンサ１４の容量を調整した。

２つのコイルユニット３Ａ，３Ｂのそれぞれの磁性体コア１Ａ，１Ｂの間には主筐体内のキーボード基板を想定した金属板１２を配置している。またこの金属板１２に対して平行な位置に副筐体側の液晶パネルのフレームを想定した金属板１３を配置している。２つの磁性体コア１Ａ，１Ｂおよび金属板１２，１３の位置関係は図中の寸法で示す通りである。

図７はリーダライタに対するコイルアンテナの位置と通信可能最大距離との関係を示している。リーダライタの読み取り位置の中央（リーダライタアンテナの中心）にコイルアンテナの中心が一致している時、通信可能最大距離は１０３ｍｍとなった。リーダライタに対する携帯電話機のコイルアンテナの位置ずれは±３３ｍｍであり、３０ｍｍずれた時の通信可能な最大距離は９２ｍｍとなった。このように通常の使用時に生じる携帯電話機の最大ずれに対してもわずかに１０％程度利得が低下するだけであり、リーダライタに対してかざす携帯電話機の位置ずれの許容範囲は非常に広くできることが分かる。

Claims (4)

1. 第１主面およびそれに対向する第２主面を有する板状の筐体を備える携帯電子機器の筐体内に設けるコイルアンテナであって、前記筐体の各主面の長軸方向または短軸方向に想定した仮想中心線を挟む両側に、それぞれ巻線を巻回した複数のコイルユニットを配置するとともに、各コイルユニットの巻線の巻回方向が同一となるように、各コイルユニットの巻線を導体で接続したことを特徴とするコイルアンテナ。
2. 前記複数のコイルユニットの巻線のコイル軸は前記筐体の主面に対して垂直である請求項１に記載のコイルアンテナ。
3. 前記筐体の辺に沿った外周部に前記導体を配置した請求項１または請求項２に記載のコイルアンテナ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のコイルアンテナを備えた携帯電子機器。

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