JPWO2011077878A1 - 通信端末 - Google Patents

Abstract

リーダライタ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たアンテナ及びそれを備えた携帯端末を提供する。巻回中心部を導体開口部ＣＡとする渦巻き状のコイル導体がフレキシブル基板（４０）に形成されている。フレキシブル基板（４０）と磁性体シート（１）とで構成されるアンテナコイル（２１）は回路基板（２０）の一辺付近に配置されている。また、アンテナコイル（２１）は、磁性体シート（１）側が回路基板（２０）に近接する向きに配置され、回路基板（２０）の一辺に近接する側が、より回路基板（２０）に近接する方向に屈曲されている。リーダライターアンテナとの成す角度θが０°〜９０°の範囲で変化しても、リーダライターアンテナの磁束ＭＦの一部は、フレキシブル基板（４０）の導体開口部ＣＡから第１の導体部分（４１）方向又は第２の導体部分（４２）方向へ磁性体シート（１）を透過し、コイルと鎖交する。

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及びそれを備えた携帯端末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が特許文献１に開示されている。図１は特許文献１に開示されているアンテナの断面図である。図１において、アンテナコイル１０はコイル本体１１と磁芯部材１３とを備える。コイル本体１１は、絶縁フィルム１２の一方の面に渦巻き状に巻回された導体からなる。磁芯部材１３は絶縁フィルム１２の他方の主面に積層されている。

特開２００３−１０８９６６号公報

図２は、アンテナを筐体内に納めた携帯端末２００をリーダライタ側アンテナ３０にかざす角度θについて示す斜視図である。

通信を行う場合には、巻回しているコイルと磁束が鎖交する必要がある。そのため、平面コイルに対して垂直方向から磁束が到来する場合には、鎖交する磁束が多くなるが、平面コイルと平行な方向からの磁束に対しては、鎖交する磁束は極端に少なくなり、通信が行えないこととなる。

特許文献１に示されているアンテナでは、それを備えた電子機器をリーダライタにかざす際に、電子機器とリーダライタのアンテナとの成す角度θが増すほど、通信可能距離が短くなる。

図３は、特許文献１に示されているアンテナを備えた電子機器とリーダライタのアンテナとの成す角度θと通信可能距離との関係を示す図である。この例では、θが６０°に達すると、通信可能距離は殆ど０となって、通信不能となる。

そこで、この発明の目的は、リーダライタのアンテナとの成す角度に依存する通信性能の劣化を抑えたアンテナ及びそれを備えた携帯端末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は、
コイル導体が形成されたフレキシブル基板、及び前記フレキシブル基板に接してまたは近接して配置される磁性体シートを備えたアンテナコイルと、このアンテナコイルを有する筐体とを備え、
前記コイル導体は巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成され、
前記アンテナコイルは前記筐体の端部付近に配置され、
前記アンテナコイルは、前記磁性体シートが前記筐体の上面方向を向くように配置され、前記筐体の端部側が前記筐体の上面に近接する方向に屈曲したことを特徴としている。

また、この発明の携帯端末は、前記アンテナと、前記筐体内に収容された通信回路とで構成される。

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の成す角度が広い範囲で、磁束がコイル導体を有効に鎖交するので、広い角度範囲で安定した通信を行える。

特許文献１に開示されているアンテナの断面図である。 アンテナを筐体内に納めた携帯端末２００をリーダライタ側アンテナ３０にかざす角度θについて示す斜視図である。 特許文献１に示されているアンテナを備えた電子機器とリーダライタのアンテナとの成す角度θと通信可能距離との関係を示す図である。 図４（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナコイル２１の平面図、図４（Ｂ）はアンテナコイル２１の正面図である。 図５（Ａ）は、図４に示したアンテナコイルを設ける回路基板側の構成を示す斜視図である。図５（Ｂ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１の一部断面正面図である。 第１の実施形態に係るアンテナを筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナにかざす角度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。 支持台４３に貼付された磁性体シート１の作用について示す図である。 リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナの磁性体シートの配置範囲と、そこを透過する磁束との関係を示す図である。 第３の実施形態に係るアンテナコイル２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２４Ｄの斜視図である。 第４の実施形態に係るアンテナ１０４の断面図である。 リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。 図１３（Ａ）は第５の実施形態に係るアンテナコイルに備えるフレキシブル基板４０の平面図、図１３（Ｂ）は第５の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体シート１の平面図である。 第６の実施形態に係るアンテナの主要部の断面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ及び携帯端末の構成を、各図を参照して説明する。

図４（Ａ）はアンテナコイル２１の平面図、図４（Ｂ）はアンテナコイル２１の正面図である。アンテナコイル２１は、コイル導体ＣＷが形成されたフレキシブル基板４０と磁性体シート１とを備えている。

磁性体シート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矩形板状のシートに成形したものである。

図４（Ａ）に示されているように、フレキシブル基板４０に、巻回中心部を導体開口部ＣＡとする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は、導体開口部ＣＡを通るライン（図中、破線で示すライン）を挟んで第１の導体部分４１と第２の導体部分４２が対向するように配置されている。

図５（Ａ）は、図４に示したアンテナコイルを設ける回路基板側の構成を示す斜視図である。図５（Ｂ）はアンテナ１０１の一部断面正面図である。

アンテナ１０１は携帯端末の筐体内に収納されるが、図５（Ａ），図５（Ｂ）では筐体を除いた状態で表している。

アンテナ１０１は、アンテナコイル２１、それを支持する支持台４３、及び矩形板状の回路基板２０を備える。図５（Ａ）に示す支持台４３にアンテナコイル２１が貼付される。

前記回路基板２０には面状に広がるグランド電極が形成されている。このグランド電極がこの発明に係る平面導体に相当する。

アンテナコイル２１は、その磁性体シート１が、フレキシブル基板４０より回路基板２０側に近接する向きに配置される。すなわち、磁性体シート１側が支持台４３に貼付される。

図５（Ａ），図５（Ｂ）に示すように、アンテナコイル２１及び支持台４３は回路基板２０の一辺付近に配置される。そして、回路基板２０の一辺に近接する側が回路基板に、より近接する方向に屈曲している。図５の例では、第２の導体部分４２が第１の導体部分４１に比べて回路基板２０の一辺寄りに配置されている。

なお、支持台４３にアンテナコイル２１を貼付したユニットを回路基板２０に実装するようにしてもよい。アンテナコイル２１のコイル導体の両端は回路基板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。回路基板２０にはアンテナコイル２１のコイル導体と接続される通信回路が構成されている。

図６（Ａ），図６（Ｂ），図６（Ｃ）は、第１の実施形態に係るアンテナを筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナにかざす角度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。図６（Ａ），図６（Ｂ），図６（Ｃ）中の破線の矢印線は磁束の経路を模式的に表している。

図６（Ａ）はθ＝０°での磁束の経路、図６（Ｂ）はθ＝４５°での磁束の経路、図６（Ｃ）はθ＝９０°での磁束の経路である。

θ＝０°のとき、リーダライターアンテナの磁束ＭＦの一部は、フレキシブル基板４０の導体開口部ＣＡから第２の導体部分４２方向へ磁性体シート１を透過してコイル（第１の導体部分４１及び第２の導体部分４２を含むコイル導体によるコイル）と鎖交する。前記磁束ＭＦの大部分は磁性体シート１の第２の導体部分４２が近接する側へ抜ける。

θ＝４５°のとき、リーダライターアンテナの磁束ＭＦの一部は、フレキシブル基板４０の導体開口部ＣＡから第１の導体部分４１方向へ磁性体シート１を透過してコイルと鎖交する。前記磁束ＭＦは磁性体シート１の第１の導体部分４１及び第２の導体部分４２が近接する側の両方へ抜ける。

θ＝９０°のとき、リーダライターアンテナの磁束ＭＦの一部は、フレキシブル基板４０の導体開口部ＣＡから第１の導体部分４１方向へ及び第２の導体部分４２方向へ磁性体シート１を透過してコイルと鎖交する。前記磁束ＭＦの大部分は磁性体シート１の第１の導体部分４１が近接する側へ抜ける。

図７は、支持台４３に貼付された磁性体シート１の作用について示す図である。図７（Ａ）は、前記θ＝９０°付近の状態で、回路基板の一辺側から磁束ＭＦが入る場合の磁束の経路を示している。図７（Ｂ）は、前記θ＝０°付近の状態で、回路基板の法線方向に磁束ＭＦが入る場合の磁束の経路を示している。いずれの場合でも、磁界の向きに沿って磁性体シート内を磁束が透過するので、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）に示したとおり、磁性体シートを透過する磁束はコイルと鎖交する。

図８は、リーダライタのアンテナに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。ここで、特性ラインＡは、第１の実施形態に係るアンテナコイル２１を備えたアンテナの特性、特性ラインＢは、比較対照のアンテナの特性である。比較対照のアンテナは、支持台を設けずに、アンテナコイル２１全体を回路基板に平行に配置したものである。第１の実施形態に係るアンテナコイル２１の平面投影寸法は２５ｍｍ×１５ｍｍ、支持台の高さは５ｍｍである。比較対照のアンテナコイルの平面寸法は２５ｍｍ×１５ｍｍである。

比較対照のアンテナコイルを備えたアンテナでは、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θが６０°〜９０°付近では、通信距離が低下し、通信不能となる。これに対し、第１の実施形態に係るアンテナでは、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θが０°から９０°の範囲内に谷が生じることはない。そのため、広い角度範囲で最大通信距離を大きく確保できる。

このように、リーダライタ側アンテナに対して携帯端末をかざす角度θが０°〜９０°のいずれの角度であっても、起電力が０になるような状況は生じない。

《第２の実施形態》
図９は、第２の実施形態に係るアンテナの磁性体シートの配置範囲と、そこを透過する磁束との関係を示す図である。

図９（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１に対する、θ＝０°での磁束の経路を示している。図９（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナ１０２Ａに対する、θ＝０°での磁束の経路を示している。図９（Ｃ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１に対する、θ＝９０°での磁束の経路を示している。図９（Ｄ）は第２の実施形態に係る別のアンテナ１０２Ｂに対する、θ＝９０°での磁束の経路を示している。

第１の実施形態に係るアンテナ１０１では、磁性体シート１がフレキシブル基板４０の全面に亘って配置されている。そのため、図９（Ａ）に示すように、θ＝０°付近で、磁性体シート１を透過するがコイルと鎖交しない磁束ＭＦｂが生じる。第２の実施形態に係るアンテナ１０２Ａは、磁性体シート１の一方の辺を第１の導体部分４１に掛からない（避ける）位置にとどめている。そのため、図９（Ｂ）に示すように、前記磁束ＭＦｂの透過が抑制され、その分、結合に寄与する磁束ＭＦａの強度が増す。

また、第１の実施形態に係るアンテナ１０１では、図９（Ｃ）に示すように、θ＝９０°付近で、磁性体シート１を透過するがコイルと鎖交しない磁束ＭＦｂが生じる。第２の実施形態に係るアンテナ１０２Ｂは、磁性体シート１の一方の辺を第２の導体部分４２に掛からない（避ける）位置にとどめている。そのため、図９（Ｄ）に示すように、前記磁束ＭＦｂの透過が抑制され、その分、結合に寄与する磁束ＭＦａの強度が増す。

図９（Ｂ）に示したアンテナ１０２Ａはθが０°に近い角度範囲（０°〜４５°）で最大通信可能距離が大きくなり、図９（Ｄ）に示したアンテナ１０２Ｂはθが９０°に近い角度範囲（９０°〜４５°）で最大通信可能距離が大きくなる。このようにして、重視する角度範囲に応じて磁性体シートのサイズと配置位置を定めればよい。

《第３の実施形態》
図１０（Ａ），図１０（Ｂ），図１０（Ｃ），図１０（Ｄ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄの斜視図である。

第１の実施形態では磁性体シート１をフレキシブル基板と同サイズにし、第２の実施形態では磁性体シート１を第１の導体部分４１又は第２の導体部分４２に掛からない位置に配置した。これに対し、第３の実施形態では、磁性体シート１の短辺に沿った位置に配置されている導体部分に磁性体シート１が掛からないように、磁性体シート１を配置している。

図１０（Ａ）に示すアンテナコイル２３Ａの磁性体シート１は、第１の導体部分４１から第２の導体部分４２にかけて一定幅に配置している。図１０（Ｂ）に示すアンテナコイル２３Ｂの磁性体シート１は、第１の導体部分４１と第２の導体部分４２の形成領域についてフレキシブル基板４０の全幅に亘って幅広に設けている。図１０（Ｃ）に示すアンテナコイル２３Ｃの磁性体シート１は、第１の導体部分４１の形成領域についてフレキシブル基板４０の全幅に亘って幅広に設けている。図１０（Ｄ）に示すアンテナコイル２３Ｄの磁性体シート１は、第２の導体部分４２の形成領域についてフレキシブル基板４０の全幅に亘って幅広に設けている。

図１０（Ｃ）に示したアンテナコイル２３Ｃを備えたアンテナによれば、第１の導体部分４１付近の磁性体シート１を磁束が透過する状態での磁気抵抗が小さくなる（集磁効果が高まる）。そのため、図６（Ｃ）に示したとおり、特にθ＝９０°付近でのアンテナ利得の向上に寄与する。

図１０（Ｄ）に示したアンテナコイル２３Ｄを備えたアンテナによれば、第２の導体部分４２付近の磁性体シート１を磁束が透過する状態での磁気抵抗が小さくなる（集磁効果が高まる）。そのため、図６（Ａ）に示したとおり、特にθ＝０°付近でのアンテナ利得の向上に寄与する。

図１０（Ｂ）に示したアンテナコイル２３Ｂを備えたアンテナによれば、第１の導体部分４１付近及び第２の導体部分４２付近の磁性体シート１を磁束が透過する状態での磁気抵抗が小さくなる。そのため、図６（Ａ），図６（Ｂ），図６（Ｃ）に示したとおり、θ＝０°〜９０°の広範囲に亘ってアンテナ利得の向上に寄与する。

《第４の実施形態》
図１１は第４の実施形態に係るアンテナ１０４の断面図である。アンテナ１０４は携帯端末の筐体内に収納されるが、図１１では筐体を除いた状態で表している。

アンテナ１０４は、アンテナコイル２１、それを支持する支持台４３、及び矩形板状の回路基板２０を備える。この例では、直方体形状の支持台４３を用いている。そのため、アンテナコイル２１は直角に屈折される。

図１２は、リーダライタのアンテナに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。ここで、特性ラインＡは、第４の実施形態に係るアンテナ１０４の特性、特性ラインＢは、比較対照のアンテナの特性である。比較対照のアンテナは支持台を設けずに、アンテナコイル２１全体を回路基板に平行に配置したものである。第４の実施形態に係るアンテナコイル２１の平面投影寸法は２５ｍｍ×１５ｍｍ、支持台４３の高さは５ｍｍである。比較対照のアンテナコイルの平面寸法は２５ｍｍ×１５ｍｍである。

比較対照のアンテナコイルを備えたアンテナでは、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θが６０°〜９０°付近では、通信距離が低下し、通信不能となる。これに対し、第４の実施形態に係るアンテナ１０４では、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θが０°から９０°の範囲内に谷が生じることはない。そのため、広い角度範囲で最大通信距離を大きく確保できる。

このように、アンテナコイルを直角に屈折させても、リーダライタ側アンテナに対して携帯端末をかざす角度θが０°〜９０°のいずれの角度であっても、起電力が０になるような状況は生じない。

《第５の実施形態》
図１３（Ａ）は第５の実施形態に係るアンテナコイルに備えるフレキシブル基板４０の平面図、図１３（Ｂ）は第５の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体シート１の平面図である。

図１３（Ｂ）に示されている磁性体シート１は、予め、碁盤目状に切り込みを入れた平板状のフェライトの両面をフィルムでラミネートしたものを複数に小片化したものである。図１３（Ｂ）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、磁性体シート１全体は柔軟性をもつことになる。そのため、この磁性体シート１を備えたアンテナコイルは支持台の面に沿って容易に配置できる。また、例えば携帯端末の筐体の内面に沿って設けることができる。したがって種々の形状の筐体内に容易に組み込める。

《第６の実施形態》
図１４は第６の実施形態に係るアンテナの主要部の断面図である。この例では、支持台を用いることなく、携帯端末の筐体５０の内面にアンテナコイル２１を貼付している。このような構造によれば、部品点数が削減できるだけでなく、筐体の曲面付近に生じる空間を有効に利用できる。

《他の実施形態》
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、アンテナを構成することもできる。

また、以上に示した各実施形態では、アンテナを筐体の内部または内面に配置したが、筐体の外面に沿ってアンテナを配置してもよい。この場合、アンテナのフレキシブル基板の一部を筐体内に引き込み、筐体内の回路基板に電気的に接続すればよい。

ＣＡ…導体開口部
ＣＷ…コイル導体
ＭＦ…磁束
ＭＦａ…磁束
ＭＦｂ…磁束
１…磁性体シート
２０…回路基板
２１…アンテナコイル
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２４Ｄ…アンテナコイル
３０…リーダライタ側アンテナ
４０…フレキシブル基板
４１…第１の導体部分
４２…第２の導体部分
４３…支持台
５０…筐体
１０１…アンテナ
１０２Ａ…アンテナ
１０２Ｂ…アンテナ
１０４…アンテナ

そこで、この発明の目的は、リーダライタのアンテナとの成す角度に依存する通信性能の劣化を抑えた通信端末を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の通信端末は、
コイル導体が形成されたフレキシブル基板、及び前記フレキシブル基板に接してまたは近接して配置される磁性体シートを備えたアンテナコイルと、このアンテナコイルの近傍に配置された平面導体と、筺体とを備え、
前記コイル導体は巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成され、
前記アンテナコイルは前記筺体の端部付近に配置され、
前記磁性体シートは前記アンテナコイルのコイル導体と前記平面導体との間に配置され、
前記コイル導体のうちの前記平面導体の中央寄りに位置する第１の導体部分から前記コイル導体のうちの前記平面導体の端部近傍に位置する第２の導体部分への方向が、前記平面導体に近づく方向に傾斜している、ことを特徴としている。

Claims (7)

1. コイル導体が形成されたフレキシブル基板、及び前記フレキシブル基板に接してまたは近接して配置される磁性体シートを備えたアンテナコイルと、このアンテナコイルを有する筐体とを備えたアンテナにおいて、
   前記コイル導体は巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成され、
   前記アンテナコイルは前記筐体の端部付近に配置され、
   前記アンテナコイルは、前記磁性体シートが前記筐体の上面方向を向くように配置され、前記筐体の端部側が前記筐体の上面に近接する方向に屈曲した、アンテナ。
2. 前記磁性体シートは、シート状に成形された、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に記載のアンテナ。
3. 前記アンテナより前記筐体の上面側に平面導体を備えた、請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記平面導体は前記筐体内に設けられた回路基板である、請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記アンテナコイルは、前記磁性体シート及び前記フレキシブル基板の形状を保つ支持台に配置された、請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ。
6. 前記アンテナコイルは、前記筐体の面に沿って配置された、請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載のアンテナと、前記筐体内に収容されて前記アンテナを用いて通信を行う通信回路とを備えた、携帯端末。

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