JPWO2012014939A1 - アンテナ装置および通信端末機器 - Google Patents

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Abstract

給電アンテナ(30)のコイル導体に流れる電流i0によって第1ブースター導体(41)に電流i10が誘起され、この電流i10が第1ブースター導体(41)の周囲を周回する。また、給電アンテナ(30)のコイル導体に流れる電流i0によって第2ブースター導体(42)に電流i2が誘起され、この電流i2が第2ブースター導体(42)の周囲を周回する。また、第2ブースター導体(42)に流れる電流i2によって第1ブースター導体(41)に電流i12が誘起され、この電流i12が第1ブースター導体(41)の周囲を周回する。このようにして、放射板の形状の自由度が高く、放射板とコイル導体との位置関係に高い位置精度が要求されず、近傍の金属物の影響を受け難いアンテナ装置および通信端末機器が構成する。

Description

この発明は、相手側機器と電磁界信号を介して通信するRFIDシステムや短距離無線通信システムに用いられるアンテナ装置および通信端末機器に関するものである。
近年、利用が拡大しているRFIDシステムや短距離無線通信システムにおいては、携帯電話等の携帯電子機器同士または携帯電子機器とリーダ・ライタとで通信を行うために、各々の機器に通信用のアンテナが搭載されている。これらのアンテナのうち携帯電子機器に搭載されるアンテナについて特許文献1が開示されている。
図1(A)は特許文献1に示されている無線ICデバイスの主要部の断面図である。図1(B)はその無線ICデバイスの給電回路基板と放射板との配置関係を示す図である。この無線ICデバイス1は、所定の無線信号を処理する無線ICチップ5と、無線ICチップ5に接続され、少なくとも一つのコイルパターン23を含んだ給電回路を有する給電回路基板4と、給電回路基板4から供給された送信信号を放射するとともに、受信信号を受けてこれを給電回路基板4に供給する放射板3とを備えている。放射板3はその一部に開口部7と該開口部7に連接したスリット部6とを有し、コイルパターン23の巻回軸方向から平面視したとき、放射板3の開口部7とコイルパターン23の内側領域とが重なっていて、かつ、内側領域と開口部7との面積はほぼ同じである。
図1(A)において、無線信号の送信時には、無線ICチップ5から信号電流がコイルパターン23に流され、この電流によって生じた誘導磁界Hは、開口部7を通して図中点線で示すように分布する。誘導磁界Hによって、図1(B)に示すように、開口部7の周囲部分に、誘導電流I1,I2が生じる。ここで、開口部7にはスリット部6が連接されているため、この誘導電流I1,I2はスリット部6にてその流れが制限される。このように、放射板3においては、誘導電流I1,I2によって磁界Hが誘起される。この磁界によって無線信号が送信される。
国際公開第2009/142114号パンフレット
しかし、放射板に開口部とスリット部が必要であるため、放射板の形状に制約があり、また、放射板とコイル導体との位置関係に高い精度が要求される。
そこで、この発明の目的は、放射板の形状の自由度が高く、放射板とコイル導体との位置関係に高い位置精度を必要としないアンテナ装置および通信端末機器を提供することにある。
本発明のアンテナ装置は、給電回路が接続されるコイル導体を有する給電アンテナと、前記給電アンテナの前記コイル導体に電磁界を介して結合する第1ブースター導体と、前記第1ブースター導体に電磁界を介して結合し、且つ前記給電アンテナに電磁界を介して結合する第2ブースター導体と、を有する。
例えば、平面視で、コイル導体の第1端部が第1ブースター導体の第1端部に重なり(オーバーラップし)、コイル導体の第2端部が第2ブースター導体の第1端部に重なり、第1ブースター導体の第2端部が第2ブースター導体の第2端部に重なる。
この構造により、給電アンテナによって第1ブースター導体に電流が誘起され、第1ブースター導体および給電アンテナによって第2ブースター導体に電流が誘起される。この構造によれば、開口部とスリットが不要であるので、第1のブースター導体と第2のブースター導体を設けることにより、放射板(第1第2のブースター導体)の形状の自由度が高まる。
前記第1ブースター導体が前記第2ブースター導体より大きければ、第1ブースター導体と第2ブースター導体の大きさが等しい場合に比べて、二つのブースター導体の配置の自由度が高まり、電子機器への組み込みが容易となる。
さらに、給電アンテナと第1ブースター導体との距離が、給電アンテナと第2ブースター導体との距離よりも小さければ、より大きな第1ブースター導体と給電アンテナとが強く結合し、より小さな第2ブースター導体と給電アンテナとが強く結合した場合に比べて良好なアンテナ特性が得られる。
本発明の通信端末機器は、コイル導体を有する給電アンテナと、前記給電アンテナの前記コイル導体に電磁界を介して結合する第1ブースター導体と、前記第1ブースター導体に電磁界を介して結合し、且つ前記給電アンテナに電磁界を介して結合する第2ブースター導体と、を有するアンテナ装置と、前記コイル導体に接続される給電回路と、を備える。
前記第1ブースター導体は、例えば通信端末機器の筐体またはその筐体内に収容される金属体である。この構造により第1ブースター導体として特別な部材を設ける必要が無く、部品点数が削減され小型低コスト化が図れる。
本発明によれば、開口部とスリットを備えた放射板が不要であるので、第1のブースター導体と第2のブースター導体を設けることにより、放射板(第1第2のブースター導体)の形状の自由度が高まる。また、放射板である第1第2のブースター導体とコイル導体との位置関係に高い位置精度が要求されない。
図1(A)は特許文献1に示されている無線ICデバイスの主要部の断面図である。図1(B)はその無線ICデバイスの給電回路基板と放射板との配置関係を示す図である。 図2(A)は第1の実施形態に係るアンテナ装置101の概略平面図、図2(B)はアンテナ装置101の部分拡大平面図である。 図3はアンテナ装置101の動作原理を示す図である。 図4は第2の実施形態に係るアンテナ装置102の分解斜視図である。 図5は、第2ブースター導体62、給電アンテナ50、フェライトシート63の形状と位置関係を示す分解斜視図である。 図6はアンテナ装置102の部分拡大平面図である。 図7はアンテナ装置102の動作原理を示す図である。 図8(A)はアンテナ装置103の平面図、図8(B)はアンテナ装置103の主要部の平面図である。 図9はアンテナ装置103の動作原理を示す図であり、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。 図10(A)はアンテナ装置104の平面図、図10(B)はアンテナ装置104の主要部の平面図である。 図11はアンテナ装置104の動作原理を示す図であり、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。 図12(A)はアンテナ装置105の平面図、図12(B)はアンテナ装置105の主要部の平面図である。 図13はアンテナ装置105の動作原理を示す図であり、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係るアンテナ装置について図2および図3を参照して説明する。図2(A)は第1の実施形態に係るアンテナ装置101の概略平面図、図2(B)はアンテナ装置101の部分拡大平面図である。
アンテナ装置101は、給電アンテナ30、第1ブースター導体41および第2ブースター導体42を備えている。図2(B)に示すように、給電アンテナ30はポリイミドフィルムのような絶縁性の支持フィルム31に矩形スパイラル状のコイル導体32が形成されたものである。
第1ブースター導体41は、ポリイミドフィルムのような絶縁性の支持フィルムに導体膜が形成されたものである。同様に、第2ブースター導体42は、ポリイミドフィルムのような絶縁性の支持フィルムに導体膜が形成されたものである。
コイル導体32の第1端部32E1は第1ブースター導体41の第1端部41E1に重なっている。このことにより、第1ブースター導体41は給電アンテナ30のコイル導体32に電磁界を介して結合する。また、コイル導体32の第2端部32E2は第2ブースター導体42の第1端部42E1に重なっている。このことにより、第2ブースター導体42は給電アンテナ30のコイル導体32に電磁界を介して結合する。さらに、第1ブースター導体41の第2端部41E2は第2ブースター導体42の第2端部42E2に重なっている。このことにより、第1ブースター導体41は第2ブースター導体42に電磁界を介して結合する。
図3は前記アンテナ装置101の動作原理を示す図である。図3(A)は給電アンテナ30と第1ブースター導体41との結合の仕方を示している。
図3(A)に示すように、給電アンテナ30のコイル導体に流れる電流i0によって第1ブースター導体41に電流i10が誘起される。すなわち、給電アンテナ30と第1ブースター導体41とが重なっている部分で、電流i0によって第1ブースター導体41に電流i0を打ち消す方向の電流i10が流れる。この電流i10は縁端効果によって第1ブースター導体41の周囲を周回する。
図3(B)に示すように、給電アンテナ30のコイル導体に流れる電流i0によって第2ブースター導体42に電流i2が誘起される。すなわち、給電アンテナ30と第2ブースター導体42とが重なっている部分で、電流i0によって第2ブースター導体42に電流i0を打ち消す方向の電流i2が流れる。この電流i2は縁端効果によって第2ブースター導体42の周囲を周回する。
図3(C)に示すように、第2ブースター導体42に流れる電流i2によって第1ブースター導体41に電流i12が誘起される。すなわち、第2ブースター導体42と第1ブースター導体41とが重なっている部分で、電流i2によって第1ブースター導体41に電流i2を打ち消す方向の電流i12が流れる。この電流i12は縁端効果によって第1ブースター導体41の周囲を周回する。
図3(D)では図3(A)〜(C)に示した電流を重ねて表している。このように第2ブースター導体42には電流i2が流れ、第1ブースター導体41には電流i10,i12が流れる。この電流i10,i12は同位相の電流であるので、両者が加算され第1ブースター導体41にはi10+i12の電流が流れる。したがって、給電アンテナ30に対して第1ブースター導体41だけを結合させた場合に比べて、電流i2と電流i12の分だけ多くの電流が流れる。また、第2ブースター導体42に電流i2が流れることにより、電流の周回経路が拡大される。この二つの効果によって、アンテナの利得が向上する。
なお、第1ブースター導体41、第2ブースター導体42、給電アンテナ30の積層順には幾つかの組み合わせがあるが、どの順でも同様に作用する。第1ブースター導体41の方が第2ブースター導体42よりも大きい場合、給電アンテナ30と第1ブースター導体41との距離が、給電アンテナ30と第2ブースター導体42との距離よりも小さければ、より大きな第1ブースター導体41と給電アンテナ30とが強く結合するので、アンテナ特性を向上させるうえで好ましい。
図2に示した例では、コイル導体32は2ターンのコイルを構成しているが、必要なインダクタンスに応じてターン数および各辺の寸法を定めればよい。コイル導体32と回路基板との接続は例えばピン端子を用いる。すなわち、コイル導体32の両端にパッド電極を形成しておき、組み込み先の基板に設けたピン端子がパッド電極に当接するように構成する。
《第2の実施形態》
第2の実施形態に係るアンテナ装置および通信端末機器について図4〜図7を参照して説明する。図4は第2の実施形態に係るアンテナ装置102の分解斜視図、図5は、第2ブースター導体62、給電アンテナ50、フェライトシート63の形状と位置関係を示す分解斜視図である。また、図6はアンテナ装置102の部分拡大平面図である。このアンテナ装置102は、代表的には、13.56MHz帯(HF帯)を利用するRFIDシステムや短距離無線通信システム用のアンテナ装置である。
図4において、給電アンテナ50、第1ブースター導体61および第2ブースター導体62によってアンテナ装置102が構成されている。また、このアンテナ装置102とプリント配線板64およびプリント配線板64に実装されている部品によって通信端末機器が構成されている。プリント配線板64にはロッドアンテナ65、カメラの撮像素子66が実装されている。また、給電アンテナ50の下部に例えばフェライトシートのような磁性体シート63が配置されている。またプリント配線板64には、アンテナ装置102のコイル導体32に対して給電を行う給電回路を備えている。第1ブースター導体61は金属筐体(金属薄板)である。すなわち、通信端末機器にもともと備える部材を第1ブースター導体61に兼用している。
給電アンテナ50は、第1実施形態で図2(B)に示した給電アンテナ30と同様に、絶縁性支持フィルムにコイル導体が形成されたものである。第2ブースター導体62はΠ字形状である。磁性体シート63はL字形状であり、給電アンテナ50のコイル導体32の二辺と重なる。この磁性体シート63は、給電アンテナ50のコイル導体の巻回中心を過ぎる磁束がプリント配線板の縁を通過するように磁路を形成する。
平面視で、第1ブースター導体61は給電アンテナ50のコイル導体32の端部に重なり、コイル導体32の端部が第2ブースター導体62の端部に重なり、第1ブースター導体61の端部が前記第2ブースター導体62の端部に重なる。この例では第2ブースター導体62はΠ文字形状であるので、コイル導体32の三辺と重なる。また、第1ブースター導体61はコイル導体32の一辺とで重なる。すなわち、コイル導体32と重なる部分では、第1ブースター導体61と第2ブースター導体62とでループが形成されている。
図7は前記アンテナ装置102の動作原理を示す図である。図7は給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。
先ず、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第1ブースター導体61に電流i10が誘起される。また、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第2ブースター導体62に電流i2が誘起される。そして、第2ブースター導体62に流れる電流i2によって第1ブースター導体61に電流i12が誘起される。
このようにして、給電アンテナ50に対して第1ブースター導体61だけを結合させた場合に比べて、電流i2と電流i12の分だけ多くの電流が流れる。また、第2ブースター導体62に電流i2が流れることにより、電流の周回経路が拡大される。この二つの効果によって、アンテナの利得が向上する。
なお、図5に示した磁性体シート63は給電アンテナ50と同じ形状にして給電アンテナ50の下面の全面を覆ってもよい。また、強制的な磁路の形成が不要な場合には磁性体シートは不要である。なお、磁性体シートにはフェライト以外の磁性体を用いてもよい。
アンテナ装置102の共振周波数を定めるために、給電アンテナ50に形成されているコイル導体32の両端に周波数調整用のキャパシタを接続してもよい。この周波数調整用キャパシタは給電アンテナ50、プリント配線板64、または無線IC素子のいずれに設けてもよい。
《第3の実施形態》
第3の実施形態に係るアンテナ装置について、図8および図9を参照して説明する。図8(A)はアンテナ装置103の平面図、図8(B)はアンテナ装置103の主要部の平面図である。図9はアンテナ装置103の動作原理を示す図であり、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。
図8(A)に示すように、給電アンテナのコイル導体32、第1ブースター導体61および第2ブースター導体62によってアンテナ装置103が構成されている。給電アンテナ50は絶縁性の支持フィルムとその支持フィルムに形成されたコイル導体32とで構成されている。第3の実施形態では、第2ブースター導体62が環状であり、この第2ブースター導体62の一辺にコイル導体32の一辺が重なっている。また、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、第2ブースター導体62の順に重ねられている。
図9に示すように、先ず、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第1ブースター導体61に電流i10が誘起される。また、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第2ブースター導体62に電流i2が誘起される。そして、第2ブースター導体62に流れる電流i2によって第1ブースター導体61に電流i12が誘起される。
このようにして、給電アンテナ50に対して第1ブースター導体61だけを結合させた場合に比べて、電流i2と電流i12の分だけ多くの電流が流れる。また、第2ブースター導体62に電流i2が流れることにより、電流の周回経路が拡大される。この二つの効果によって、アンテナの利得が向上する。
《第4の実施形態》
第4の実施形態に係るアンテナ装置について、図10および図11を参照して説明する。図10(A)はアンテナ装置104の平面図、図10(B)はアンテナ装置104の主要部の平面図である。図11はアンテナ装置104の動作原理を示す図であり、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。
図10(A)に示すように、給電アンテナのコイル導体32、第1ブースター導体61および第2ブースター導体62によってアンテナ装置104が構成されている。給電アンテナ50は絶縁性の支持フィルムとその支持フィルムに形成されたコイル導体32とで構成されている。第4の実施形態では、第2ブースター導体62は、環状部分とそこから直線状に延び出た部分とを備え、コイル導体32の二辺が第2ブースター導体62に重なっている。また、給電アンテナ50、第2ブースター導体62、第1ブースター導体61の順に重なっている。
図11に示すように、先ず、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第1ブースター導体61に電流i10が誘起される。また、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第2ブースター導体62に電流i2が誘起される。そして、第2ブースター導体62に流れる電流i2によって第1ブースター導体61に電流i12が誘起される。
このようにして、給電アンテナ50に対して第1ブースター導体61だけを結合させた場合に比べて、電流i2と電流i12の分だけ多くの電流が流れる。また、第2ブースター導体62に電流i2が流れることにより、電流の周回経路が拡大される。この二つの効果によって、アンテナの利得が向上する。
《第5の実施形態》
第5の実施形態に係るアンテナ装置について、図12および図13を参照して説明する。図12(A)はアンテナ装置105の平面図、図12(B)はアンテナ装置105の主要部の平面図である。図13はアンテナ装置105の動作原理を示す図であり、給電アンテナ50、第1ブースター導体61、および第2ブースター導体62のそれぞれの間での結合の仕方を示している。
図12(A)に示すように、給電アンテナのコイル導体32、第1ブースター導体61および第2ブースター導体62によってアンテナ装置105が構成されている。給電アンテナ50は絶縁性の支持フィルムとその支持フィルムに形成されたコイル導体32とで構成されており、中央部が開口されている。第5の実施形態では、第2ブースター導体62は、環状部分とそこからL字状に延び出た部分とを備え、コイル導体32の三辺が第2ブースター導体62に重なっている。また、給電アンテナ50、第2ブースター導体62、第1ブースター導体61の順に重なっている。
図13に示すように、先ず、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第1ブースター導体61に電流i10が誘起される。また、給電アンテナ50のコイル導体32に流れる電流i0によって第2ブースター導体62に電流i2が誘起される。そして、第2ブースター導体62に流れる電流i2によって第1ブースター導体61に電流i12が誘起される。
このようにして、給電アンテナ50に対して第1ブースター導体61だけを結合させた場合に比べて、電流i2と電流i12の分だけ多くの電流が流れる。また、第2ブースター導体62に電流i2が流れることにより、電流の周回経路が拡大される。この二つの効果によって、アンテナの利得が向上する。
《他の実施形態》
以上に示した各実施形態では、給電コイルをスパイラル状の導体パターンで構成したが、これらは多層のループ状(ヘリカル状)の導体パターンで構成してもよい。また、ターン数は必要に応じて1ターンであってもよい。さらに、導体パターンの平面形状は矩形である必要はなく、円形や不定形であってもよいことは言うまでもない。また、ブースター導体は三つ以上あってもよい。
また、以上に示した各実施形態では、給電コイルが第1ブースター導体および第2ブースター導体に対して主に磁界を介して結合する例を示したが、周波数帯域によっては主に電界を介して結合するようにしてもよい。さらには電界および磁界の両方を介して結合するようにしてもよい。これは高周波信号の場合に、給電コイルとブースター導体との間の静電容量でも十分にエネルギーが伝達されるからである。この出願の特許請求の範囲および明細書において、「電磁界を介して結合」とは、「(1)主に電界を介して結合、(2)主に磁界を介して結合、(3)電界および磁界を介して結合」の3つの態様を含む。
また、以上に示した各実施形態では、HF帯のRFIDデバイスに適用する例を示したが、本発明はHF帯に限らず例えばUHF帯のRFIDデバイスにも同様に適用できる。UHF帯の場合には、第1第2のブースター導体の周囲に沿って電流が流れるだけでなく、ブースター導体に複数の電流経路のループが分布し、互いに隣接する電流ループ間に磁束が鎖交するような電磁界が生じる。また、RFIDシステム以外のシステムにも利用することができる。
本発明のアンテナ装置のコイル導体に接続される給電回路は、例えば無線IC素子で構成される。この無線IC素子は通常はプリント配線板に搭載されるが、給電アンテナに搭載されていてもよい。
i0…電流
i10,i12…電流
i2…電流
30…給電アンテナ
31…支持フィルム
32…コイル導体
32E1…コイル導体の第1端部
32E2…コイル導体の第2端部
41…第1ブースター導体
41E1…第1ブースター導体の第1端部
41E2…第1ブースター導体の第2端部
42…第2ブースター導体
42E1…第2ブースター導体の第1端部
42E2…第2ブースター導体の第2端部
50…給電アンテナ
61…第1ブースター導体
62…第2ブースター導体
63…フェライトシート
64…プリント配線板
65…ロッドアンテナ
66…撮像素子
101〜105…アンテナ装置
本発明のアンテナ装置は、給電回路が接続されるコイル導体を有する給電アンテナと、前記給電アンテナの前記コイル導体に電磁界を介して結合する第1ブースター導体と、前記第1ブースター導体に電磁界を介して結合し、且つ前記給電アンテナに電磁界を介して結合する第2ブースター導体と、を有し、前記第1ブースター導体および前記第2ブースター導体は、ともに面状に広がる導体である
また、前記第1ブースター導体および前記第2ブースター導体は、平面視で前記第1ブースター導体および前記第2ブースター導体で前記コイル導体をループ状に囲むように形成されていて、前記コイル導体は、その開口部の少なくとも一部が前記第1ブースター導体の外縁よりも外側に位置するように配置されている。
本発明の通信端末機器は、コイル導体を有する給電アンテナと、前記給電アンテナの前記コイル導体に電磁界を介して結合する第1ブースター導体と、前記第1ブースター導体に電磁界を介して結合し、且つ前記給電アンテナに電磁界を介して結合する第2ブースター導体と、を有し、前記第1ブースター導体および前記第2ブースター導体は、ともに面状に広がる導体であるアンテナ装置と、前記コイル導体に接続される給電回路と、を備える。

Claims (6)

  1. 給電回路が接続されるコイル導体を有する給電アンテナと、
    前記給電アンテナの前記コイル導体に電磁界を介して結合する第1ブースター導体と、
    前記第1ブースター導体に電磁界を介して結合し、且つ前記給電アンテナに電磁界を介して結合する第2ブースター導体と、
    を有するアンテナ装置。
  2. 平面視で、前記コイル導体の第1端部が前記第1ブースター導体の第1端部に重なり、前記コイル導体の第2端部が前記第2ブースター導体の第1端部に重なり、前記第1ブースター導体の第2端部が前記第2ブースター導体の第2端部に重なる、請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記第1ブースター導体は前記第2ブースター導体より大きい、請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記給電アンテナと前記第1ブースター導体との距離は、前記給電アンテナと前記第2ブースター導体との距離よりも小さい、請求項3に記載のアンテナ装置。
  5. コイル導体を有する給電アンテナと、前記給電アンテナの前記コイル導体に電磁界を介して結合する第1ブースター導体と、前記第1ブースター導体に電磁界を介して結合し、且つ前記給電アンテナに電磁界を介して結合する第2ブースター導体と、を有するアンテナ装置と、
    前記コイル導体に接続される給電回路と、
    を備えた通信端末機器。
  6. 前記第1ブースター導体は、前記通信端末機器の筐体または筐体内に収容される金属体である、請求項5に記載の通信端末機器。
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