JPWO2013115147A1

JPWO2013115147A1 - アンテナ装置および通信端末装置

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Publication number: JPWO2013115147A1
Application number: JP2013556393A
Authority: JP
Inventors: 邦明用水; 哲平三浦; 加藤　登; 登加藤; 信一中野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: CN203674401U; JP5720807B2; WO2013115147A1

Abstract

絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体（１１１）を有するプリント配線板（７１）と、このプリント配線板の表層または内層にコイル状にパターニングされた給電コイル（１１２）とを備え、グランド導体（１１１）は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、給電コイル（１１２）はグランド導体（１１１）のループ状結合部に電磁界を介して結合する。これにより、安定した通信特性が得られ、限られたスペースに収めることのできる小型のアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を構成する。

Description

本発明はＨＦ帯やＵＨＦ帯の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装置に関する。

課金や物品管理を行うためのシステムとして、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムが普及している。ＲＦＩＤシステムでは、リーダライタとＲＦＩＤタグとを非接触方式で無線通信させ、これらのデバイス間で高周波信号が送受される。リーダライタおよびＲＦＩＤタグは、それぞれ、高周波信号を処理するための無線ＩＣチップと、高周波信号を送受するためのアンテナ素子とを備えている。アンテナ素子としては、たとえば１３．５６ＭＨｚ帯を利用したＨＦ帯ＲＦＩＤシステムであれば、コイル状のアンテナが用いられ、リーダライタ側のアンテナコイルとタグ側のアンテナコイルとは誘導磁界を介して結合される。

このＨＦ帯ＲＦＩＤシステムでは、例えば特許文献１に示されているＦｅｌｉＣａ（登録商標）対応端末のように、携帯通信端末にアンテナコイルを内蔵し、通信端末自体をリーダライタやＲＦＩＤタグとして利用することがある。図６は特許文献１に記載されている非接触ＩＣカード用リーダライタ１の縦断面図である。

非接触ＩＣカード用リーダライタ１は、ループアンテナやコンデンサが上面に設けられたアンテナ基板と、送受信回路やチップ型コイル５が上面に設けられたコントロール基板６と、アンテナ基板４とコントロール基板６との間に配置された磁性体シート１０と、絶縁性ケース１５とを備えている。磁性体シート１０は、コントロール基板６に設けたチップ型コイル５の上方に開口部１１を形成するために、チップ型コイル５の上方を避けて配置されている。チップ型コイル（給電コイル）５は磁束φ１で示すように、アンテナ基板４のループアンテナと誘導磁界を介して結合する。アンテナ基板４は磁束φ２で示すように、ＩＣカード２０と磁界結合する。この構造により、コンタクトピンやフレキシブルケーブルを用いずに、ＲＦＩＤ用ＩＣチップとアンテナコイルとを実質的に接続することができる。

特許第４３２５６２１号公報

しかし、このような構成では、チップ型コイルとループアンテナとが別々の基板に設けられているため、その間の距離が変わると、磁界結合の強さも変わってしまい、その結果、通信特性にばらつきが生じることがある。また、チップ型コイルとループアンテナとを配置するためのスペースが必要であるが、端末筺体内に十分なスペースを確保できないこともある。

本発明の目的は、安定した通信特性が得られ、限られたスペースに収めることのできる小型のアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を提供することにある。

（１）本発明のアンテナ装置は、
絶縁性基材を素体とし、前記絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体を有するプリント配線板と、
前記プリント配線板の表層または内層に、コイル状にパターニングされた給電コイルと、を備え、
前記グランド導体は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、
前記給電コイルは、前記グランド導体の前記ループ状結合部に電磁界を介して結合することを特徴とする。

この構成によれば、無線信号の送受を担う放射体としてプリント配線板のグランド導体を利用し、且つ、給電コイルをそのプリント配線板に設けているため、給電コイルと放射体との距離が大きくばらつくことがなく、給電コイルと放射板との間の電磁界結合度のばらつきは小さくなる。

（２）前記第１端部と前記第２端部との間に容量素子が設けられていることが好ましい。この構成により、グランド導体のループ状結合部のインダクタンス成分とチップコンデンサのキャパシタンス成分とで共振回路が形成されて、ループ状結合部が共振器として作用し、その共振周波数が利用周波数帯（例えばＨＦ帯）に近づくことによって高効率化が図れ、読み取り可能最大距離を大きくすることができる。

（３）前記ループ状結合部は前記グランド導体に設けられた切り欠きによって形成されていることが好ましい。この構成により、特別な導体パターンでループ状結合部を独立して設ける必要がなく、容易に小型化できる。

（４）前記給電コイルは、そのコイル開口が前記ループ状結合部の開口と重なっていることが好ましい。この構成により、給電回路とグランド導体との結合および給電コイルとループ状結合部との結合がより高まる。

（５）前記給電コイルは、複数のループパターンを積層してなる積層型コイルであって、前記積層型コイルの第１端面および第２端面は、前記グランド導体の第１主面側および第２主面側に位置していることが好ましい。この構成により、給電コイルの平面寸法を小さくしつつも、給電コイルとループ状結合部との必要な電磁界結合度を維持できる。

（６）本発明の通信端末装置は、
絶縁性基材を素体とし、前記絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体を有するプリント配線板と、
前記プリント配線板の表層または内層に、コイル状にパターニングされた給電コイルと、
前記プリント配線板に実装され、前記給電コイルに接続された給電素子と、
前記プリント配線板を収納する筐体と、を備え、
前記グランド導体は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、
前記給電コイルは、前記グランド導体の前記ループ状結合部に電磁界を介して結合することを特徴とする。

上記構造によれば、給電コイルと放射板との間の電磁界結合度のばらつきが小さく、安定した通信特性を持つ、小型の通信端末装置が構成される。

本発明によれば、無線信号の送受を担う放射体としてプリント配線板のグランド導体を利用し、且つ、給電コイルをそのプリント配線板に設けているため、給電コイルと放射体との距離が大きくばらつくことがなく、給電コイルと放射体との間の電磁界結合度のばらつきが小さい。よって、安定した通信特性を持ち、且つ、小型のアンテナ装置および通信端末装置を実現できる。

図１（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置および通信端末装置の平面図である。図１（Ｂ）は第１の実施形態のアンテナ装置および通信端末装置の断面図である。図２は第１の実施形態のアンテナ装置の概略斜視図である。図３は第１の実施形態のアンテナ装置の概略平面図である。図４は、給電コイル１１２とグランド導体１１１の開口ＡＰのループ状結合部との結合により、給電コイル１１２およびグランド導体１１１に流れる電流の様子を示す図である。図５（Ａ）は第２の実施形態のアンテナ装置の平面図、図５（Ｂ）はその断面図である。図６は特許文献１に記載されている非接触ＩＣカード用リーダライタ１の縦断面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態の通信端末装置は、ＨＦ帯ＲＦＩＤシステムとしてのＮＦＣ（Near Field Communication）システムを搭載した移動体通信端末である。

図１（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置２０６および通信端末装置３０６の平面図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。図２は第１の実施形態のアンテナ装置２０６の概略斜視図である。図３はそのアンテナ装置２０６の概略平面図である。

第１の実施形態に係る通信端末装置は、その筺体（外装）内に、第１プリント配線板７１、第２プリント配線板８１、バッテリーパック８３等を搭載している。第１プリント配線板７１や第２プリント配線板８１には、セルラーアンテナ７２、液晶表示素子の駆動回路、電源制御回路等、各種の機能素子や機能回路が実装されている。これらの機能素子や機能回路は表面実装部品として構成されている。プリント配線板７１，８１にはこれらの機能素子や機能回路を接続するための配線パターンが３次元的に形成されている。

第１プリント配線板７１および第２プリント配線板８１は、エポキシ樹脂のような難燃性の絶縁性基材を素体とする。これらのプリント配線板７１，８１は多層構造を有しており、その内層には、プリント配線板７１，８１のほぼ全領域にわたって、グランド導体が設けられている。グランド導体は、上記の各種機能素子や機能回路のグランド導体として利用されるものである。

第１プリント配線板７１のグランド導体１１１の端部付近には、開口部が設けられており、さらに、この開口ＡＰとグランド導体の端部とを連接するスリットＳＬが形成されている。スリットＳＬは、グランド導体１１１のうち、開口ＡＰと開口ＡＰの隣接辺とを連接している。このグランド導体１１１に設けられた開口ＡＰおよびスリットＳＬは、平面状のグランド導体１１１に形成された切り欠きＣＰによって規定されている。グランド導体１１１の切り欠きＣＰのうち、スリットＳＬを挟んで対向した部分が第１端部、第２端部として利用されており、開口ＡＰの内周がループ状結合部として利用される。

第１プリント配線板７１の内層には給電コイル１１２が設けられている。給電コイル１１２は、第１プリント配線板７１に形成された他の各種配線と同時にパターニングされたものであり、複数ターンの単層コイル状にパターニングされている。給電コイル１１２の第１端および第２端は、給電素子であるＮＦＣ用ＩＣチップ７３の２つの入出力端子にそれぞれ接続されている。給電コイル１１２のコイル開口は、グランド導体１１１の開口ＡＰと同形状、同サイズである。すなわち、給電コイル１１２のコイルパターンは、グランド導体１１１の開口部の周囲と重なっている。なお、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３は、ベアチップでもよいし、パッケージＩＣであってもよい。ＮＦＣ用ＩＣチップ７３と給電コイル１１２との間には、給電コイル１１２に並列にチップコンデンサ７４が接続されており、給電コイル１１２とチップコンデンサ７４による共振回路が構成されている。この共振回路の共振周波数は、送受信信号の周波数とほぼ等しくなるように設定されている。ＮＦＣ用ＩＣチップ７３と給電コイル１１２との間には、さらにフィルタ素子や整合用素子が設けられていてもよい。

図４は、給電コイル１１２とグランド導体１１１の開口ＡＰのループ状結合部との結合により、給電コイル１１２およびグランド導体１１１に流れる電流の様子を示す図である。

図４に示すように、給電コイル１１２に信号電流が流れると、グランド導体１１１の開口ＡＰやスリットＳＬを介して、グランド導体１１１の縁端部を周回するような誘導電流が流れる。すなわち、送信モード時、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３から給電コイル１１２に高周波信号が送られると、給電コイル１１２に流れた電流の誘導電流がグランド導体のループ状結合部に流れ、ループ状結合部に流れた電流がグランド導体１１１の全体（もしくは一部）に導かれて、グランド導体１１１が高周波信号の放射体として作用する。また、受信モード時は、グランド導体１１１で高周波信号を受けると、グランド導体１１１のループ状結合部に電流が流れ、その誘導電流を給電コイル１１２で受け、この誘導電流がＮＦＣ用ＩＣチップ７３に送られる。

グランド導体のループ状結合部には、チップコンデンサ７４が接続されている。グランド導体１１１のスリットＳＬにおける第１端部がチップコンデンサの第１端子に接続されており、スリットＳＬにおける第２端部がチップコンデンサの第２端子に接続されている。これにより、グランド導体のループ状結合部のインダクタンス成分とチップコンデンサ７４のキャパシタンス成分とで共振回路が形成されて、グランド導体が共振器の一部として作用し、その共振周波数が利用周波数であるＨＦ帯に近づくことによって、読み取り最大距離を大きくすることができる。

筺体９１の表面Ｓ２側には、図示省略するが、金属板で静電シールドされた液晶表示パネル等の表示素子が設けられており、ゆえに、このＮＦＣ用アンテナ装置の指向方向は、筺体９１の裏面Ｓ１側である。特に、給電コイル１１２やスリットＳＬが設けられた側面方向への通信距離が大きくなる。よって、給電コイル１１２は筺体９１の、指向性を持たせる側の端部近傍に配置されていることが好ましく、スリットＳＬも筺体９１の端部方向に向かって延設されていることが好ましい。

以上、本実施形態のアンテナ装置および通信端末装置によれば、高周波信号の送受を担う放射体として第１プリント配線板７１のグランド導体１１１が利用されており、且つ、給電コイル１１２が同じ第１プリント配線板７１に設けられているため、第１プリント配線板７１の作製時に、給電コイル１１２とグランド導体（放射体）１１１との距離が実質的に決定され、通信端末装置の組み立て精度や筺体の反りや変形によって、給電コイルとグランド導体（放射体）との距離がばらつき難い。よって、給電コイル１１２とループ状結合部との電磁界結合度もばらつき難く、安定した通信特性が得られる。

また、給電コイル１１２もグランド導体（放射体）１１１も第１プリント配線板７１に設けられているため、言い換えると、プリント配線板とは別体の給電コイルやプリント配線板とは別体の放射体を設ける構成ではないため、筺体内にアンテナ装置のための大きなスペースを確保する必要が無く、アンテナ装置、ひいては通信端末装置の小型化に大きく寄与する。

また、給電コイルとグランド導体のループ状結合部との間に、流れ出たはんだや加工屑等が不所望に挟まれることが無いため、通信特性のさらなる安定化が可能である。

また、給電コイル１１２とグランド導体１１１とは、直流的には接続されていないので、グランド導体１１１にＥＳＤ等のサージノイズが加わっても、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３にサージノイズが入りにくく、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３の耐サージ性が向上する。また、グランド導体１１１に各種機能回路からノイズが入ってきても、そのノイズによってＮＦＣ用ＩＣチップ７３の特性が大きく影響を受けることもない。

本実施形態では、給電コイル１１２がグランド導体１１１から見て筺体９１の表面Ｓ２側に設けられており、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３がグランド導体１１１から見て筺体９１の裏面Ｓ１側に搭載されている。よって、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３と給電コイル１１２とは、グランド導体１１１の層を通すことなく接続される。

《第２の実施形態》
図５（Ａ）は第２の実施形態に係るアンテナ装置の平面図、図５（Ｂ）はその断面図である。

第２の実施形態においては、給電コイル１１２は、複数のループパターンを積層してなる積層型コイルである。この積層型コイルの第１端面はグランド導体１１１の第１主面側に位置していて、この積層型コイルの第２端面はグランド導体１１１の第２主面側に位置している。このような構造であると、給電コイル１１２の平面寸法を小さくしつつも、給電コイル１１２とグランド導体１１１のループ状結合部との必要な電磁界結合度を維持できる。

《他の実施形態》
以上、本発明を具体的な実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

例えば、通信端末装置としては、移動体通信端末の他、タブレット型端末やノート型ＰＣなど、無線通信機能を有する各種装置であってよい。端末筺体には、プリント配線板やバッテリーパックの他、液晶表示素子など、各種素子が搭載されていてもよい。

グランド導体は、プリント配線板の内層ではなく、表層に設けられていてもよい。また、グランド導体が複数層に亘って形成されている場合は、各グランド導体層を放射体として利用してもよいし、最表層または最下層のグランド導体のみを放射体として利用してもよい。

グランド導体の外形形状は矩形状に限定されるものではなく、プリント配線板の形状や各種機能素子や機能回路の配線パターンに応じて、様々な形状をとり得る。

給電コイルも、プリント配線板の内層ではなく、表層に設けられていてもよい。給電コイルの層数やターン数は必要なインダクタンス値に応じて、適宜、設計することができる。

グランド導体に設けられたループ状結合部は、開口部とスリット部とで構成されたものに限らず、例えば、グランド導体の縁部分に凹部を設け、この凹部の周面をループ状結合部として利用してもよい。また、グランド導体の縁部にループ状の導体を付加し、これをループ状結合部として利用してもよい。開口部とスリット部の幅は同じであっても構わない。

給電コイル１１２のコイル開口とグランド導体１１１の開口ＡＰとは、平面視で、少なくとも一部が重なっていることが好ましく、必ずしも、給電コイル１１２のコイル開口の形状やサイズがグランド導体１１１の開口ＡＰの形状やサイズと同じである必要はない。例えば、給電コイル１１２のコイル開口がグランド導体１１１の開口ＡＰよりも大きくてもよいし、給電コイル１１２のコイル開口がグランド導体１１１の開口ＡＰより小さくても構わない。給電コイル１１２の外形寸法がグランド導体１１１の開口ＡＰより小さい場合、給電コイル１１２はグランド導体１１１と同層（開口ＡＰの内側）に形成されていてもよい。

グランド導体１１１に対する給電コイル１１２の配置位置は、グランド導体１１１から見て筺体９１の裏面Ｓ１側であってもよい。その場合は、ＮＦＣ用ＩＣチップ７３も筺体の裏面Ｓ１側に搭載することが好ましい。

ＡＰ…開口
ＣＰ…切り欠き
Ｓ１…裏面
Ｓ２…表面
ＳＬ…スリット
７１…第１プリント配線板
７２…セルラーアンテナ
７３…ＮＦＣ用ＩＣチップ
７４…チップコンデンサ
８１…第２プリント配線板
８３…バッテリーパック
９１…筺体
１１０…プリント配線板
１１１…グランド導体
１１２…給電コイル
２０６…アンテナ装置
３０６…通信端末装置

（１）本発明のアンテナ装置は、
絶縁性基材を素体とし、前記絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体を有するプリント配線板と、
前記プリント配線板の表層または内層に、コイル状にパターニングされた給電コイルと、
前記プリント配線板に実装され、前記給電コイルに接続された給電素子と、を備え、
前記グランド導体は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、
前記給電コイルの第１端および第２端は前記給電素子の２つの入出力端子にそれぞれ接続され、
前記給電コイルは、前記グランド導体の前記ループ状結合部に電磁界を介して結合することを特徴とする。

（５）前記給電コイルは、複数のループパターンを積層してなる積層型コイルであって、前記積層型コイルの第１端面および第２端面は、前記グランド導体の第１主面側および第２主面側に位置していることが好ましい。この構成により、給電コイルの平面寸法を小さくしつつも、給電コイルとループ状結合部との必要な電磁界結合度を維持できる。
（６）前記プリント配線板を平面視したとき、前記給電素子の少なくとも一部は、前記給電コイルのコイル開口と重なっていないことが好ましい。

（７）本発明の通信端末装置は、
絶縁性基材を素体とし、前記絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体を有するプリント配線板と、
前記プリント配線板の表層または内層に、コイル状にパターニングされた給電コイルと、
前記プリント配線板に実装され、前記給電コイルに接続された給電素子と、
前記プリント配線板を収納する筐体と、を備え、
前記グランド導体は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、
前記給電コイルの第１端および第２端は前記給電素子の２つの入出力端子にそれぞれ接続され、
前記給電コイルは、前記グランド導体の前記ループ状結合部に電磁界を介して結合することを特徴とする。

Claims

絶縁性基材を素体とし、前記絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体を有するプリント配線板と、
前記プリント配線板の表層または内層に、コイル状にパターニングされた給電コイルと、を備え、
前記グランド導体は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、
前記給電コイルは、前記グランド導体の前記ループ状結合部に電磁界を介して結合することを特徴とするアンテナ装置。
前記第１端部と前記第２端部との間に容量素子が設けられている、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記ループ状結合部は前記グランド導体に設けられた切り欠きによって形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記給電コイルは、そのコイル開口が前記ループ状結合部の開口と重なっている、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記給電コイルは、複数のループパターンを積層してなる積層型コイルであって、前記積層型コイルの第１端面および第２端面は、前記グランド導体の第１主面側および第２主面側に位置している、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
絶縁性基材を素体とし、前記絶縁性基材の表層または内層に設けられたグランド導体を有するプリント配線板と、
前記プリント配線板の表層または内層に、コイル状にパターニングされた給電コイルと、
前記プリント配線板に実装され、前記給電コイルに接続された給電素子と、
前記プリント配線板を収納する筐体と、を備え、
前記グランド導体は、その一部に、第１端部および第２端部を有したループ状結合部を有し、
前記給電コイルは、前記グランド導体の前記ループ状結合部に電磁界を介して結合することを特徴とする通信端末装置。