JPWO2011036963A1 - アンテナ装置及び通信端末装置 - Google Patents

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Abstract

フレキシブル基板（１０）に矩形渦巻き状のコイル導体（ＣＷ）が形成されている。コイル導体（ＣＷ）の形成領域の中心部には矩形の開口が設けられていて、その開口に磁性体コア（１）が挿入されている。コイル導体（ＣＷ）は、磁性体コア（１）の第１主面（ＭＳ１）に近接する第１の導体部分（１１）、及び磁性体コア（１）の第２主面（ＭＳ２）に近接する第２の導体部分（１２）を備えている。前記磁性体コア（１）とコイル導体（ＣＷ）とによってアンテナコイル（２１）が構成されている。回路基板（２０）はグランド電極形成領域（ＧＡ）とグランド電極非形成領域（ＮＧＡ）を備えている。アンテナコイル（２１）は、磁性体コア（１）の第１主面（ＭＳ１）が回路基板（２０）に対面する状態で、回路基板（２０）のグランド電極非形成領域（ＮＧＡ）に実装されている。

Description

この発明は、電磁界信号を介して外部機器と通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられるアンテナ装置及びそれを備えた通信端末装置に関するものである。
ＲＦＩＤシステムで用いられる携帯電子機器に搭載されるアンテナ装置が特許文献１に開示されている。
特許文献１のアンテナ装置７０は、図１（Ａ）に示すように、コイル７１の巻回領域の中心部を挟んで相対向する二つの位置の巻線間隔を異ならせた非対称形状のコイルを備え、巻線間隔の大きな側７１ａでは、ＩＣカードと対向する主面の反対側に磁性体７２ａを配置し、巻線間隔の小さな側７１ｂでは、ＩＣカードと対向する主面に磁性体７２ｂを配置したものである。このアンテナ装置７０による磁場分布は、図１（Ｂ）に示すように、ループコイル７１の巻線間隔及び線幅が広くなる側７１ａにおいて強調された非対称なものとなる。また、このアンテナ装置７０は、図１（Ｃ）に示すように、通信端末装置９０のうち本体部９１に配置される。
特許第３９７５９１８号公報
ところが、特許文献１に示されているアンテナ装置を備えた電子機器をリーダライタにかざす際に、電子機器のアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置との成す角度によっては通信が不能になるおそれがある。すなわち、ＩＣカードと通信端末装置とが平行状態で通信を行う場合には問題が少ない。しかし、ＩＣカードではなく、備え付けのリーダライタなどと通信を行う場合には、通信端末装置とリーダライタの位置（角度）が一定とならず、通信性能が劣化する問題がある。
つまり、図１（Ｂ）に示されたアンテナ装置７０は、図１（Ｄ）に示すように、金属筐体９７に形成されたアンテナ収納凹部９７ａに配置されるため、アンテナ装置７０の主面に垂直な方向（リーダライタ側アンテナとのなす角度がゼロ度の方向）には、良好な通信状態を確保できるものの、リーダライタ側アンテナと端末側アンテナとのなす角度が大きくなるとともに各アンテナ間の距離が大きくなった場合、十分な通信特性を確保することが困難である。
そこで、この発明の目的は、リーダライタ等の読み取り面に対して成す角度に依存する通信性能の劣化を抑え、広角度範囲でリーダライタ等との通信が可能なアンテナ装置及びそれを備えた通信端末装置を提供することにある。
前記課題を解決するために、この発明のアンテナ装置は、
第１主面及び第２主面を有する板状の磁性体コアと、この磁性体コアに巻回されたコイル導体と、を備えたアンテナコイル、及び前記アンテナコイルが近接する平面導体を備え、
前記アンテナコイルは前記平面導体とは所定の間隔をおいて配置され、
前記コイル導体のうち、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体コアの平面透視で重ならない位置にあり、
前記磁性体コアの第１主面は前記平面導体の面（延長面）に対面し、
前記アンテナコイルは、前記平面導体及び前記アンテナコイルを平面視した状態で、前記第１の導体部分が前記平面導体の端部の近傍に位置するように配置されたものとする。
前記間隔は、前記アンテナコイルの主面と通信相手のアンテナの主面との成す角度が例えば４５°のときに前記アンテナコイルに生じた磁束が通過できる間隔である。
前記平面導体は、例えば回路基板に形成されたグランド電極であり、前記回路基板のグランド電極非形成領域に前記アンテナコイルが配置されてもよい。
前記平面導体は、例えば回路基板に形成されたグランド電極であり、前記平面導体に対向して前記アンテナコイルが配置される。
また、例えば、前記磁性体コアは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である。
また、例えば、前記磁性体コアは、一方端が他の部分より太く形成されている。
この発明の通信端末装置は、前記のいずれかに記載のアンテナ装置を筐体内に備えたものである。
この発明によれば、リーダライタのアンテナに対して前記アンテナ装置の成す角度が０°〜９０°の範囲内で、コイル導体を鎖交する互いに逆方向の磁束が等しくなることがなく、すなわち磁束を互いに打ち消しあうことがなく、０°〜９０°の範囲又はそれ以上の範囲で通信を安定に行うことができる。
また、回路基板のグランド電極非形成領域に前記アンテナコイルを実装することによってアンテナ装置を容易に構成できる。
また、前記磁性体コアを、小片化された焼結磁性体で構成することにより、アンテナコイル全体に柔軟性をもたせることができ、通信端末装置等の組み込み先電子機器の筐体内に高い自由度のもとで組み込める。
また、磁性体コアの第１の導体部分に近接する部分を他の部分より太くすることによって、磁気抵抗が低下し、通信性能が向上する。
特許文献１に示されたアンテナ装置を説明するための図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図であり、図２（Ａ）はアンテナ装置１０１の平面図、図２（Ｂ）はその平面図、図２（Ｃ）はアンテナコイル２１の平面図である。 アンテナ装置を筐体内に納めた通信端末装置２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θについて示す斜視図である。 図３に示した角度θを変化させたときのアンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。 リーダライタに対する通信端末装置のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。 図６（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。 図７（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図７（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。 通信端末装置内へのアンテナコイルの設置状態を示す図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図であり、図９（Ａ）はアンテナ装置１０４の平面図、図９（Ｂ）はその正面図、図９（Ｃ）は通信端末装置２０４の概略断面図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置のアンテナコイル２１を通る磁束の様子を示す図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置の、回路基板のグランド電極からアンテナコイルまでの間隔と結合係数との関係を示す図である。
《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。このアンテナ装置は、たとえば１３．５６ＭＨｚのようなＨＦ帯信号を送受するアンテナ装置である。
図２（Ａ）は、アンテナコイル２１及びそれを実装する矩形板状の回路基板２０を備えるアンテナ装置１０１の平面図である。図２（Ｂ）は、前記アンテナ装置１０１の正面図である。図２（Ｃ）はアンテナコイル２１の平面図である。
磁性体コア１は矩形板形状に成形されたフェライトのコアである。この磁性体コア１には図２に示すようにコイル導体ＣＷが巻回されている。具体的には、フレキシブル基板１０に矩形渦巻き状のコイル導体ＣＷが形成されていて、その渦巻きの中心部に矩形の開口が設けられていて、その開口に磁性体コア１が挿入されている。
コイル導体ＣＷは、磁性体コア１の第１主面ＭＳ１に近接する第１の導体部分１１、及び磁性体コア１の第２主面ＭＳ２に近接する第２の導体部分１２を備えている。前記磁性体コア１とコイル導体ＣＷとによってアンテナコイル２１が構成されている。
回路基板２０はグランド電極形成領域ＧＡとグランド電極非形成領域ＮＧＡを備えている。前記グランド電極形成領域ＧＡのグランド電極が、この発明に係る平面導体である。
アンテナコイル２１は、磁性体コア１の第１主面ＭＳ１が回路基板２０に対面する状態で、回路基板２０のグランド電極非形成領域ＮＧＡに実装されている。したがって、磁性体コア１の第１主面ＭＳ１はグランド電極形成領域ＧＡの面（グランド電極形成領域ＧＡの延長面）に対面している。また、アンテナコイル２１及びグランド電極形成領域ＧＡを平面視した状態で、アンテナコイル２１はグランド電極形成領域ＧＡの端部より外方に配置されている。
また、前記コイル導体のうち、第１の導体部分１１と第２の導体部分１２とは、磁性体コア１を平面透視で（磁性体コア１の第１主面ＭＳ１または第２主面ＭＳ２の法線方向から見て）重ならないように配置されている。
図２（Ｂ）に示されている状態では、リーダライタ側アンテナ装置３０に対してアンテナ装置１０１が平行に配置され（かざされ）ている、この状態でリーダライタの磁束がアンテナコイル２１のコイル導体ＣＷと鎖交し、両者は磁気的に結合する。
なお、アンテナコイル２１のコイル導体ＣＷの両端は回路基板２０上の所定の端子電極に接続される。この接続構造については図示を省略している。
図３は、前記アンテナ装置を筐体内に納めた通信端末装置２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θについて示す斜視図である。図２に示した回路基板２０は通信端末装置の筐体に沿って配置されているので、リーダライタ側アンテナ装置３０に対して通信端末装置２０１を平行に配置した状態で、アンテナ装置１０１はリーダライタ側アンテナ装置３０に対して平行に配置されることになる。このときの角度θは０°である。
図４は、図３に示した角度θを変化させたときのアンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。
θ＝０°のとき、リーダライタの磁束は、磁性体コア１に対してほぼ垂直方向にコイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。
θ＝４５°のとき、リーダライタの磁束は、磁性体コア１に対してほぼ４５°方向にコイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。このとき、図１（Ｂ）に示したようなコイル導体ＣＷに対して逆方向に通過する磁束は非常に小さい。
θ＝９０°のとき、リーダライタの磁束は、磁性体コア１の面方向にコイル導体ＣＷの形成領域の中心部を通過する。このときも、コイル導体ＣＷを過ぎる磁束の方向は同じである。
したがって、通信端末装置２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θがどのような値であっても、磁性体コアを両方向に通過する磁束同士で互いに磁束を打ち消すような状況が生じない。
図５はリーダライタに対する通信端末装置のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。図５において、折れ線Ｅは、第１の実施形態に係るアンテナ装置の特性、折れ線Ｐは、図１に示した従来構造のアンテナ装置の特性である。従来構造のアンテナ装置では、角度θが３０°〜４５°付近で最大通信距離が極端に短くなるが、本発明のアンテナ装置によれば、角度θが０°〜９０°（９０°以上）の全ての範囲に亘って最大通信距離を大きく保つことができることが分かる。
《第２の実施形態》
図６（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナコイル２２の平面図である。
図２（Ｃ）に示したアンテナコイル２１と異なるのは、磁性体コア１の一方端が他の部分より太く形成されていることである。
このような形状の磁性体コア１を用いることにより、磁性体コア１を通る磁束が強くなり、通信相手のアンテナとの磁界結合を強めることができ、通信可能最長距離が長くなるなど、通信性能が向上する。図６（Ｂ）においては、磁性体コア１の太い部分を第１の導体部分１１に近接させてアンテナコイル２２を構成したが、磁性体コア１の太い部分を第２の導体部分１２に近接させてアンテナコイルを形成してもよい。磁性体コア１の太くする部分（幅広にする部分）は、第１の導体部分１１に近接する部分、あるいは、第２の導体部分１２に近接する部分のいずれかに限定されるものではない。このように、磁性体コア１の一方端を他の部分より太くすることによって、集磁効果が高まる。そのため、リーダライタ側アンテナが斜め方向に配置されていても高い通信性能が得られる。また、グランド導体の端部側となる磁性体コアの端部を太くすることにより、グランド導体の端部付近の磁気抵抗が低くなって集磁効果が高まる。
なお、図６に示したアンテナコイル２２では、磁性体コア１の一方の端部の全体が広く（太く）形成されているが、この部分は外側程広い台形状であってもよい。また、磁性体コア１の中央から両端部にかけて共に幅が広くなる蝶形状であってもよい。
《第３の実施形態》
図７（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体コア１の平面図、図７（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。このアンテナコイル２３は、矩形板形状の磁性体コア１とコイル導体が形成されたフレキシブル基板１０を備えている。図６（Ｂ）に示されているアンテナコイル２２と異なるのは、磁性体コア１の構造である。
図７（Ａ）に示されている磁性体コア１は、フェライト粉などの磁性体粉と樹脂材との混成体をシート状に成形し、さらにそれを複数に小片化したものを焼結して焼結磁性体を作成し、複数の小片の両面をフィルムでラミネートしたものである。図７中の破線で区切られた部分は、焼結磁性体の小片を表している。このような構成により、磁性体コア１全体は柔軟性をもつことになる。
なお、図７（Ｂ）においては、磁性体コア１の太い部分を第１の導体部分１１に近接させてアンテナコイル２２を構成したが、第２の実施形態で述べたとおり、磁性体コア１の太くする部分（幅広にする部分）は、第１の導体部分１１に近接する部分、あるいは、第２の導体部分１２に近接する部分のいずれかに限定されるものではない。このように、磁性体コア１の一方端を他の部分より太くすることによって、回路基板のグランド電極形成領域ＧＡより離れた位置での集磁効果が高まり、通信性能がより向上する。
図８は、通信端末装置内へのアンテナコイルの設置状態を示す図である。この例では、アンテナコイル２３が通信端末装置の筐体２００の内面に貼付されている。アンテナコイル２３は柔軟性があるので、筐体内の単一平面に限らずに、筐体の内面に沿って設けることができる。そのため、種々の形状の筐体内に容易に組み込める。また、アンテナコイル２３を筐体２００の内面に貼付することで、回路基板のグランド電極からアンテナコイル２３までの距離を離すことができ、磁束の通過領域が増えるため、より良好な通信状態を確保できるようになる。
《第４の実施形態》
図９は第４の実施形態に係る通信端末装置２０４およびそれが備えるアンテナ装置１０４の構成を示す図である。図９（Ａ）はアンテナ装置１０４の平面図、図９（Ｂ）はその正面図である。また、図９（Ｃ）は通信端末装置２０４の概略断面図である。
図９（Ａ）に示すように、回路基板２０は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を基材とし、その内層に、平面導体としてのグランド電極形成領域ＧＡが設けられている。また、図示しないが、回路基板２０の表面および裏面には、アンテナコイル２１に接続される給電回路の他、通信端末装置を構成するための様々な電子部品が搭載されている。
また、アンテナコイル２１は、グランド電極形成領域ＧＡのグランド電極及びアンテナコイル２１を平面視した状態で、第１の導体部分１１がグランド電極の端部の近傍に位置するように配置されている。コイル導体ＣＷとグランド電極形成領域ＧＡのグランド電極とは、間隔Ｇだけ離間して配置されている。このように内層にグランド電極形成領域ＧＡが形成された回路基板２０を用いたことにより、コイル導体ＣＷとグランド電極との間隔Ｇを稼ぐことができ、通信端末装置２０１をリーダライタ側アンテナ装置３０にかざす角度θが小さい場合でも通信特性が高まる。
また、アンテナコイル２１は、コイル導体ＣＷのうち第１の導体部分１１が第２の導体部分１２よりもグランド電極形成領域ＧＡに近接した位置となるように配置されている。
さらにアンテナコイル２１は、コイル導体ＣＷの第１の導体部分１１が筐体２００の長手方向の端部Ｅの近傍に位置するように配置されている。この筐体２００の長手方向の端部は、通信端末装置を縦長となる向きに把持した状態で上端部となる部分である。
この通信端末装置２０４では、後に示すように図９（Ｃ）に示す角度θが広範囲に亘って良好な指向性を有する。そのため、筐体２００の長手方向の端部（前記上端部）Ｅをリーダライタなどの通信相手に向けて通信相手と無線通信を行うに際し、広角度範囲で通信相手との通信が可能である。
図１０は、図９（Ｃ）に示した角度θを変化させたときのアンテナコイル２１を通る磁束の様子を模式的に表した図である。
θ＝４５°のとき、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）中に破線の矢印線で示すように磁束φｓが通る。すなわち、磁束φｓは磁性体コア１の第２主面ＭＳ２から磁性体コア１に入り、グランド電極形成領域ＧＡの側方へ向かうように抜ける。このようにθ＝４５°のときコイル導体の巻回中心部を磁束が通過する。
θ＝９０°のときは、図４に示した９０°の例と同様に、磁束は磁性体コア１の外側の端部から磁性体コア１に入り、内側の端部に抜ける。このようにθ＝９０°のときもコイル導体の巻回中心部を磁束が通過する。
図１１は、回路基板のグランド電極からアンテナコイルまでの間隔と結合係数との関係を求めた結果である。縦軸は、図９（Ｃ）に示したリーダライタ側アンテナとアンテナ装置１０４との結合係数である。リーダライタ側アンテナとアンテナ装置１０４との間隔はθに関わらず一定とした。
この図１１に表れているように、θ＝９０°では、結合係数は回路基板のグランド電極からアンテナコイルまでの間隔に影響を受けないが、θ＝０°，θ＝４５°では、グランド電極からアンテナコイルまでの間隔が大きくなるほど結合係数は大きくなる。θ＝０°ではその傾向が著しい。グランド電極からアンテナコイルまでの間隔が約２ｍｍ以上であれば、θ＝４５°のときの結合係数はθ＝９０°のときの結合係数に達するので、θ＝４５°〜９０°の範囲で使用する場合には、グランド電極からアンテナコイルまでの間隔を２ｍｍ以上とすることが好ましい。また、グランド電極からアンテナコイルまでの間隔が約７．５ｍｍ以上であれば、θ＝０°のときの結合係数はθ＝９０°のときの結合係数に達するので、θ＝０°〜９０°の範囲で使用する場合には、グランド電極からアンテナコイルまでの間隔を７．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
《他の実施形態》
なお、以上に示した各実施形態では、基板のグランド電極を平面導体の例として示したが、液晶表示パネルの背面に配置されるシールド板、筐体の内面に形成されている導体膜や導体箔、さらには電池パックを平面導体として扱い、アンテナ装置を構成することもできる。また、平面導体は矩形状の導体に限らず、様々な平面形状していてもよい。また、平面導体は単層に限らず、複数層あってもよい。さらに、平面導体はその主要部が平面状であればよく、他の部分に曲げ部分があってもよい。
ＣＷ…コイル導体
ＧＡ…グランド電極形成領域
ＭＳ１…磁性体コアの第１主面
ＭＳ２…磁性体コアの第２主面
ＮＧＡ…グランド電極非形成領域
１…磁性体コア
１０…フレキシブル基板
１１…第１の導体部分
１２…第２の導体部分
２０…回路基板
２１，２２，２３…アンテナコイル
３０…リーダライタ側アンテナ装置
１０１，１０４…アンテナ装置
２００…筐体
２０１，２０４…通信端末装置
前記課題を解決するために、この発明のアンテナ装置は、
第１主面及び第２主面を有する板状の磁性体コアと、この磁性体コアに巻回されたコイル導体と、を備えたアンテナコイル、及び前記アンテナコイルが近接する平面導体を備え、
前記アンテナコイルは前記平面導体とは所定の間隔をおいて配置され、
前記コイル導体のうち、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体コアの平面透視で重ならない位置にあり、
前記平面導体の平面外形は、前記コイル導体の平面外形よりも大きく、
前記磁性体コアの第１主面は前記平面導体の面に対面し、
前記アンテナコイルは、前記平面導体及び前記アンテナコイルを平面視した状態で、前記第１の導体部分が前記平面導体の一方端部の近傍に位置するように配置され、且つ、前記コイル導体は、前記平面導体の他方端部よりも前記一方端部に近い位置に配置されているものとする。
《第１の実施形態：参考例》
図２は、参考例としての第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。このアンテナ装置は、たとえば１３．５６ＭＨｚのようなＨＦ帯信号を送受するアンテナ装置である。
図２（Ａ）は、アンテナコイル２１及びそれを実装する矩形板状の回路基板２０を備えるアンテナ装置１０１の平面図である。図２（Ｂ）は、前記アンテナ装置１０１の正面図である。図２（Ｃ）はアンテナコイル２１の平面図である。

Claims (7)

  1. 第１主面及び第２主面を有する板状の磁性体コアと、この磁性体コアに巻回されたコイル導体と、を備えたアンテナコイル、及び前記アンテナコイルが近接する平面導体を備えたアンテナ装置において、
    前記アンテナコイルは前記平面導体とは所定の間隔をおいて配置され、
    前記コイル導体のうち、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体コアの平面透視で重ならない位置にあり、
    前記磁性体コアの第１主面は前記平面導体の面に対面し、
    前記アンテナコイルは、前記平面導体及び前記アンテナコイルを平面視した状態で、前記第１の導体部分が前記平面導体の端部の近傍に位置するように配置されている、アンテナ装置。
  2. 前記間隔は、前記アンテナコイルの主面と通信相手のアンテナの主面との成す角度が４５°のときに前記アンテナコイルに生じた磁束が通過できる間隔である、請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記平面導体は、回路基板に形成されたグランド電極であり、前記回路基板のグランド電極非形成領域に前記アンテナコイルが配置されている、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
  4. 前記平面導体は、回路基板に形成されたグランド電極であり、前記平面導体に対向して前記アンテナコイルが配置されている、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
  5. 前記磁性体コアは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 前記磁性体コアは、一方端が他の部分より太い、請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナ装置。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナ装置を筐体に備えた、通信端末装置。
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