KR20140026428A - 안테나 장치 및 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

전자 기기에 내장하였을 때에 전자 기기의 케이스의 소형화를 도모하면서, 양호한 통신 특성을 실현 가능한 안테나 장치를 제공한다. 휴대 전화기(130)에 내장되고, 리더 라이터(120)로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 안테나 모듈(1a)에 있어서, 휴대 전화기(130)의 케이스(131) 내부의 리더 라이터(120)에 대향한 금속판(133a)의 단부(133b)와 케이스(131)의 내주벽(131a)과의 간극(132)에, 금속판(133a)의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되고, 리더 라이터(120)와 유도 결합되는 안테나 코일(11a)을 구비한다.

Description

안테나 장치 및 통신 장치{ANTENNA APPARATUS AND COMMUNICATION APPARATUS}
본 발명은, 전자 기기에 내장되고, 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 안테나 장치 및 통신 장치에 관한 것이다.
본 출원은, 일본에 있어서 2011년 3월 30일에 출원된 일본 특허 출원 번호 특원 2011-075494 및 일본에 있어서 2011년 11월 29일에 출원된 일본 특허 출원 번호 2011-260630을 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이들 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.
휴대 전화기 등의 전자 기기에 있어서, 근거리 비접촉 통신의 기능을 탑재하기 위해, RFID(Radio Frequency Identification)용의 안테나 모듈이 사용되고 있다.
이 안테나 모듈은, 리더 라이터 등의 발신기에 탑재된 안테나 코일과 유도 결합을 이용하여 통신을 행하고 있다. 즉, 이 안테나 모듈은, 리더 라이터로부터의 자계를 안테나 코일이 받음으로써, 그것을 전력으로 변환하여 통신 처리부로서 기능하는 IC를 구동시킬 수 있다.
안테나 모듈은, 확실하게 통신을 행하기 위해, 리더 라이터로부터의 어떤 값 이상의 자속을 안테나 코일에서 받을 필요가 있다. 그 때문에, 종래예에 따른 안테나 모듈에서는, 휴대 전화기의 케이스에 루프 코일을 설치하고, 이 코일에서 리더 라이터로부터의 자속을 받고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 휴대 단말 장치에 내장하는 루프 안테나의 특성을 향상시키는 방법으로서, 내장 배터리의 주위에 가요성 케이블이나 플랫 케이블을 배치하는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2005-303541호 공보
상기 특허문헌 1에 기재된 발명은, 케이스 내의 간극에 안테나를 배치하므로, 그 형상을 일정하게 하는 것이 곤란해지고, 인덕턴스의 변화량이 커지기 때문에, 공진 주파수의 변동이 크다고 하는 문제가 있었다.
특히, 가요성 케이블로 안테나를 형성한 경우에는, 상기 특허문헌 1에 기재된 발명은, 배선간의 분포 용량을 조정하는 것이 곤란하므로, 공진 주파수의 조정에 다대한 공정수가 필요해진다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 이와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 전자 기기에 내장하였을 때에 전자 기기의 케이스의 소형화를 도모하면서, 양호한 통신 특성을 실현 가능한 안테나 장치 및 통신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 전자 기기에 내장되고, 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 안테나 장치에 있어서, 전자 기기의 케이스 내부의 발신기에 대향한 도전체의 단부와 케이스의 내주벽과의 간극에, 도전체의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되고, 발신기와 유도 결합되는 안테나 코일을 구비한다.
또한, 본 발명은, 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 통신 장치에 있어서, 전자 기기의 케이스 내부의 발신기에 대향한 도전체의 단부와 케이스의 내주벽과의 간극에, 도전체의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되고, 발신기와 유도 결합되는 안테나 코일과, 안테나 코일에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 발신기와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부를 구비한다.
본 발명은, 안테나 코일이, 전자 기기의 케이스 내부의 발신기에 대향한 도전체의 단부와 케이스의 내주벽과의 간극에, 도전체의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되어 있으므로, 전자 기기에 내장하였을 때에 전자 기기의 케이스의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명은, 발신기에 대향한 도전체의 자기 특성을 이용하여, 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명이 적용된 안테나 모듈이 내장된 무선 통신 시스템의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)는, 본 발명이 적용된 안테나 장치의 배치에 대해 설명하기 위한 사시도이다. 도 2의 (b)는, 본 발명이 적용된 안테나 장치의 배치에 대해 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은, 본 발명이 적용된 안테나 모듈에 따른 구조에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는, 본 발명이 적용된 안테나 모듈에 따른 구조에 대해 설명하기 위한 사시도이다. 도 4의 (b)는, 본 발명이 적용된 안테나 모듈에 따른 구조에 대해 설명하기 위한 단면도이다.
도 5의 (a)는, 본 발명이 적용된 안테나 모듈에 따른 구조에 대해 설명하기 위한 사시도이다. 도 5의 (b)는, 본 발명이 적용된 안테나 모듈에 따른 구조에 대해 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은, 본 발명이 적용된 안테나 모듈에 따른 구조에 대해 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은, 금속판과 안테나 기판과의 상대적인 위치 관계에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 금속판과 안테나 기판과의 상대적인 위치 관계를 변화시켰을 때의, 제1 실시예에 따른 안테나 코일의 결합 계수를 나타내는 도면이다.
도 9는, 금속판과 안테나 기판과의 상대적인 위치 관계를 변화시켰을 때의, 제1 실시예에 따른 안테나 코일의 Q값을 나타내는 도면이다.
도 10은, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 안테나 기판(11)을 경사지게 하는 각도 θ를 변화시킨 구조에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 안테나 기판(11)을 경사지게 하는 각도 θ를 변화시켰을 때의 안테나 코일의 결합 계수에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 12는, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 안테나 기판(11)을 경사지게 하는 각도 θ를 변화시켰을 때의 안테나 코일의 결합 계수에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 13의 (a) 및 도 13의 (b)는, 본 발명이 적용된 제2 실시예에 따른 통신 장치에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 14는, 금속판에 중첩된 자성 시트의 단부와, 안테나 코일과의 상대적인 위치를 변화시켰을 때의, 안테나 코일의 결합 특성에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 15의 (a) 및 도 15의 (b)는, 안테나 코일의 치수에 따른 통신 특성의 변화에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 16의 (a) 및 도 16의 (b)는, 안테나 코일의 치수에 따른 통신 특성의 변화에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 17의 (a), 도 17의 (b) 및 도 17의 (c)는, 안테나 코일의 y축 방향의 폭에 대한 x축 방향의 폭의 비를 변화시켰을 때의 결합 계수의 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시 형태만으로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.
본 발명이 적용된 통신 장치는, 전자 기기에 내장되고, 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 장치로서, 예를 들면 도 1에 도시한 바와 같은 RFID(Radio Frequency Identification)용의 무선 통신 시스템(100)에 내장되어 사용된다.
무선 통신 시스템(100)은, 통신 장치(1)와, 통신 장치(1)에 대한 액세스를 행하는 리더 라이터(120)로 이루어진다. 여기서, 통신 장치(1)와 리더 라이터(120)는, 3차원 직교 좌표계 xyz의 xy 평면에 있어서 서로 대향하도록 배치되어 있는 것으로 한다.
리더 라이터(120)는, xy 평면에 있어서 서로 대향하는 통신 장치(1)에 대해, z축 방향으로 자계를 발신하는 발신기로서 기능하고, 구체적으로는, 통신 장치(1)를 향해 자계를 발신하는 안테나(121)와, 안테나(121)를 통해 유도 결합된 통신 장치(1)와 통신을 행하는 제어 기판(122)을 구비한다.
즉, 리더 라이터(120)는, 안테나(121)와 전기적으로 접속된 제어 기판(122)이 배치되어 있다. 이 제어 기판(122)에는, 하나 또는 복수의 집적 회로 칩 등의 전자 부품으로 이루어지는 제어 회로가 실장되어 있다. 이 제어 회로는, 통신 장치(1)로부터 수신된 데이터에 기초하여, 각종 처리를 실행한다. 예를 들면, 제어 회로는, 통신 장치(1)에 대해 데이터를 송신하는 경우, 데이터를 부호화하고, 부호화한 데이터에 기초하여, 소정의 주파수(예를 들면, 13.56㎒)의 반송파를 변조하고, 변조한 변조 신호를 증폭하고, 증폭한 변조 신호로 안테나(121)를 구동한다. 또한, 제어 회로는, 통신 장치(1)로부터 데이터를 읽어내는 경우, 안테나(121)에서 수신된 데이터의 변조 신호를 증폭하고, 증폭한 데이터의 변조 신호를 복조하고, 복조한 데이터를 복호한다. 또한, 제어 회로에서는, 일반적인 리더 라이터에서 이용되는 부호화 방식 및 변조 방식이 이용되고, 예를 들면 맨체스터 부호화 방식이나 ASK(Amplitude Shift Keying) 변조 방식이 이용되고 있다.
통신 장치(1)는, 예를 들면 리더 라이터(120)와 xy 평면에 있어서 대향하도록 배치되는 휴대 전화기(130)의 케이스(131)의 내부에 내장되고, 유도 결합된 리더 라이터(120)와의 사이에서 통신 가능해지는 안테나 코일(11a)이 실장된 안테나 기판(11)을 갖는 안테나 모듈(1a)과, 안테나 코일(11a)에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 리더 라이터(120)와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부(12)를 구비한다.
또한, 통신 처리부(12)는, 안테나 코일(11a)이 아니라, 후술하는 바와 같은 통신 장치(1)가 내장된 휴대 전화기(130)의 배터리 팩(133)이나 외부 전원 등의 전력 공급부로부터의 전력에 의해 구동해도 된다.
안테나 기판(11)에는, 예를 들면 플렉시블 플랫 케이블 등의 가요성의 도선을 패터닝 처리 등을 함으로써 형성되는 안테나 코일(11a)과, 안테나 코일(11a)과 통신 처리부(12)를 전기적으로 접속하는 단자부(11b)가 실장되어 있다.
안테나 코일(11a)은, 리더 라이터(120)로부터 발신되는 자계를 받으면, 리더 라이터(120)와 유도 결합에 의해 자기적으로 결합되고, 변조된 전자파를 수신하여, 단자부(11b)를 통해 수신 신호를 통신 처리부(12)에 공급한다.
통신 처리부(12)는, 안테나 코일(11a)에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 리더 라이터(120)와의 사이에서 통신을 행한다. 구체적으로, 통신 처리부(12)는, 수신된 변조 신호를 복조하고, 복조한 데이터를 복호하고, 복호한 데이터를, 당해 통신 처리부(12)가 갖는 내부 메모리에 기입한다. 또한, 통신 처리부(12)는, 리더 라이터(120)에 송신하는 데이터를 내부 메모리로부터 읽어내고, 읽어낸 데이터를 부호화하고, 부호화한 데이터에 기초하여 반송파를 변조하고, 유도 결합에 의해 자기적으로 결합된 안테나 코일(11a)을 통해 변조된 전파를 리더 라이터(120)에 송신한다.
<제1 실시예>
이상과 같은 구성으로 이루어지는 무선 통신 시스템(100)에 있어서, 이하에서는, 우선, 제1 실시예로서, 안테나 모듈(1a)의 구성에 대해 설명한다.
제1 실시예에 따른 안테나 모듈(1a)의 안테나 코일(11a)은, 휴대 전화기(130) 등의 전자 기기에 내장하였을 때에 당해 전자 기기의 소형화를 도모하면서, 리더 라이터(120)와의 사이에서 양호한 통신 특성을 실현하는 관점으로부터, 예를 들면 도 2의 (a)에 도시한 바와 같은 3차원 직교 좌표계 xyz의 xy 평면 상이며, 휴대 전화기(130)의 케이스(131) 내부에 설치된 배터리 팩(133)과, 케이스(131)의 내주벽(131a)과의 간극(132)에 배치된다.
또한, 제1 실시예에 따른 안테나 모듈은, 상기한 바와 같이 배터리 팩(133)과 케이스(131)의 내주벽(131a)과의 간극(132)뿐만 아니라, 예를 들면 집적 회로 기판 등의 케이스(131) 내부에 배치된 도전체와 케이스의 내주벽과의 간극에 설치하도록 해도 된다. 본 실시예에서는, 안테나 모듈이, 편의상, 판 형상의 도전체로서, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같은 배터리 팩(133)의 금속 케이스인, 리더 라이터(120)에 대향한 금속판(133a)의 단부(133b)와, 케이스(131)의 내주벽(131a)과의 사이에 배치되어 있는 것으로서 설명한다.
여기서, 도 2의 (b)의 단면도에서 도시한 바와 같이, 휴대 전화기(130)에 배치된 배터리 팩(133)의 금속 케이스인 금속판(133a)은, 전기를 비교적 잘 흘리므로, 외부로부터 교류 자계가 가해지면 와전류가 발생하고, 자계를 되돌려 버린다. 이와 같은 외부로부터 교류 자계가 가해질 때의 자계 분포를 조사하면, 리더 라이터(120)와 대향한 배터리 팩(133)의 금속판(133a)의 단부(133b)의 자계가 강하다고 하는 특성을 갖는다.
이와 같은 휴대 전화기(130)의 케이스(131) 내부의 자계 강도의 특성을 이용하여 양호한 통신 특성을 실현하기 위해, 안테나 모듈(1a)의 안테나 코일(11a)은, 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, z축과 평행한 안테나 코일(11a)의 중심축(111)이, 금속판(133a)의 단부(133b)와 케이스(131)의 내주벽(131a)과의 간극(132)을 통과하고, 또한, 코일 선이, 간극(132)에 권회된 것을 이용할 수 있다.
또한, z축과 평행한 안테나 코일(11a)의 중심축(111)이 간극(132)을 통과하고, 이 간극(132)에 권회된 안테나 코일을 갖는 안테나 모듈(1b, 1c)로서, 예를 들면 도 4의 (a), 도 5의 (a)에 도시한 바와 같은 안테나 기판(11)의 중심 부분(11c)에 자성 시트(13)가 삽입된 구조의 것을 이용하도록 해도 된다.
여기서, 도 4의 (a)에 도시하는 안테나 모듈(1b)은, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 금속판(133a)의 단부(133b)측에서는 자성 시트(13)가 안테나 코일(11a)보다도 리더 라이터(120)측에 위치하도록 배치되고, 케이스(131)의 내주벽(131a)측에서는 안테나 코일(11a)이 자성 시트(13)보다도 리더 라이터(120)측에 위치하도록 배치되도록, 자성 시트(13)가, 안테나 기판(11) 상에 형성된 안테나 코일(11a)의 중심 부분(11c)에 삽입된 것이다.
또한, 도 5의 (a)에 도시하는 안테나 모듈(1c)은, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 금속판(133a)의 단부(133b)측에서는 안테나 코일(11a)이 자성 시트(13)보다도 리더 라이터(120)측에 위치하도록 배치되고, 케이스(131)의 내주벽(131a)측에서는 자성 시트(13)가 안테나 코일(11a)보다도 리더 라이터(120)측에 위치하도록 배치되도록, 자성 시트(13)가, 안테나 기판(11) 상에 형성된 안테나 코일(11a)의 중심 부분(11c)에 삽입된 것이다.
또한, 안테나 코일(11a)은 금속판(133a)의 외주를 둘러싸지 않도록 하여 권회되어 있으면 된다. 바꾸어 말하면, 안테나 코일(11a)의 중심축이 간극(132)을 통과하도록 하여, 코일 선이 권회되어 있으면 된다. 예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같은, 간극(132)에 배치된 안테나 기판(11)의 xz 평면에서 규정되는 단면을 둘러싸고, 권회 방향이 내주벽(131a)과 평행해지도록 하여 권회된 안테나 코일(11a)을 갖는 안테나 모듈(1d)을 이용하도록 해도 된다.
제1 실시예에서는, 상기한 바와 같은 안테나 구조가 상이한 4종류의 안테나 모듈 중, 안테나 모듈(1b)의 통신 특성을 이용하여 평가한다. 이것은, 안테나 모듈(1b)이, 다른 안테나 모듈(1a, 1c, 1d)과 비교하여, 금속판(133a)의 단부(133b)의 주위에 생기는 자계를 효율적으로 안테나 코일(11a)에 인입하게 할 수 있도록 자성 시트(13)가 배치되어 있기 때문이다.
우선, 성능 평가로서는, 도 7에 도시한 바와 같이 하여, 금속판(133a)과 리더 라이터(120)를 대향시켜, 금속판(133a)과 안테나 기판(11)과의 상대적인 위치 관계를 변화시켰을 때의 통신 특성에 대해 평가한다.
구체적인 평가 조건으로서는, 다음과 같이 하였다. 즉, 리더 라이터(120)의 안테나(121)는, xy축 방향에서 규정되는 외형이 66㎜×100㎜인 2권취 코일로 하였다. 또한, 금속판(133a)은 xyz축 방향에서 규정되는 치수가 100㎜×50㎜×0.3㎜의 스테인리스로 하였다. 안테나 모듈(1b)의 안테나 코일(11a)은, xy축 방향에서 규정되는 외형이 40㎜×10㎜로 한 구조이고, 4권취 코일이다. 또한, z축 방향에서 규정되는, 금속판(133a)의 표면으로부터 안테나 코일(11a)의 표면까지의 거리는 1㎜로 하였다.
여기서, 금속판(133a)과 안테나 기판(11)과의 상대적인 위치 관계를 나타내는 값으로서, 다음의 a를 사용하였다. 즉, a는, 금속판(133a)의 중심 부분(133c)으로부터, 안테나 기판(11)의 내주벽(131a)측의 단부(11d)까지의 y축 방향에서 규정되는 거리이다.
이상과 같은 조건하에서, a의 값을 15㎜로부터 40㎜까지 변화시켰을 때의, 안테나 코일(11a)의 결합 계수의 변화를 도 8에, Q값의 변화를 도 9에 각각 나타낸다.
여기서, 금속판(133a)의 폭이 50㎜이므로, a의 값이 25㎜일 때, 금속판(133a)의 단부(133b)와, 안테나 코일(11a)의 내주벽(131a)측의 단부(11d)가 일치한다. 또한, 안테나 코일(11a)의 폭이 10㎜이므로, a의 값이 35㎜일 때, 안테나 코일(11a)의 금속판(133a)측의 단부(11e)가, 금속판(133a)의 단부(133b)와 일치한다.
도 8에 나타내는 바와 같이, a의 값이 30㎜인 경우, 안테나 기판(11)의 중심 부분(11c)과, 금속판(133a)의 단부(133b)가 대략 일치하는 경우에, 결합 계수가 가장 높고, a의 값이 30㎜로부터 이격되는 데에 수반하여 감소한다. 또한, a의 값이 25㎜, 35㎜인 경우에는, 결합 계수가 대략 동일한 특성을 나타낸다. 이와 같이 안테나 코일(11a)을 금속판(133a)의 단부(133b)의 근방에 배치하면 결합 계수가 높은 것은, 금속판(133a)의 단부(133b) 주변에서 자속 밀도가 높기 때문이다. 또한, 금속판(133a)은, 리더 라이터(120)로부터 발신되는 자계를 받아 와전류가 발생하지만, 중심 부분(133c)에 비해 단부(133b) 쪽이 자계의 강도가 커서, 리더 라이터(120)로부터 받은 자기적인 에너지를 효율적으로 안테나 코일(11a)측에 전달할 수 있기 때문이다.
또한, a의 값이, 25㎜보다 작아지도록 변화시킨 경우와 35㎜보다 커지도록 변화시킨 경우를 비교하면, 양쪽 모두 결합 계수가 감소하지만, 35㎜ 이상의 경우 쪽이 a의 값의 변화에 대해, 결합 계수의 감소폭이 작다. 예를 들면, a의 값이 22㎜, 38㎜인 경우를 비교하면, a의 값이 38㎜인 편이 20％ 정도 결합 계수가 높다. 또한, a의 값이 20㎜, 40㎜인 경우를 비교하면, a의 값이 40㎜인 편이 40％ 정도 결합 계수가 높다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 안테나 코일(11a)이 금속판(133a)과 이격되는 데에 수반하여 Q값이 단조 증가하고, 특히, a의 값이 35㎜보다도 커지면, 즉 안테나 코일(11a)이 금속판(133a)과 중첩되지 않게 되면, 급격하게 Q값이 증가한다.
이것은, 안테나 코일(11a)이 금속판(133a)과 이격되는 편이, 안테나 코일(11a)에 흐르는 전류에서 발생하는 자계를 금속판(133a)이 받아 열에너지로 변환되는 것이 억제되고, 그 결과로서, 안테나 코일(11a)의 저항값이 외관상 작아지기 때문이다.
상기한 성능 평가로부터, 간단히 결합 계수를 높게 하기 위해서는, 안테나 기판(11)의 중심 부분(11c)과, 금속판(133a)의 단부(133b)가 대략 일치하면 되지만, 양호한 통신 특성을 얻기 위해서는, 높은 결합 계수와 높은 Q값을 양립하는 것을 필요로 한다. 따라서 안테나 코일(11a)은, 금속판(133a)의 근방이며, 또한, 금속판(133a)과 중첩되지 않는 위치에 배치되는 것이, 높은 결합 계수와 높은 Q값을 양립하는 점으로부터 특히 바람직하고, 결과적으로 양호한 통신 특성을 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 안테나 모듈(1b) 및 안테나 모듈(1a, 1c, 1d)은, 안테나 코일(11a)이, 금속판(133a)의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여, 간극(132)에 권회되어 있으므로, 휴대 전화기(130) 등의 전자 기기에 내장하였을 때에 케이스(131)의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 안테나 모듈(1b) 및 안테나 모듈(1a, 1c, 1d)은, 리더 라이터(120)에 대향한 금속판(133a)에 의한 자기 특성을 이용하여, 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다.
<변형예>
또한, 본 실시예에 따른 안테나 모듈(1a, 1b, 1c, 1d) 중, 안테나 모듈(1b, 1c, 1d)에 대해서는, 도 10에 도시한 바와 같이, 안테나 기판(11)의, 금속판(133a)측의 단부(11e)를 중심축으로 하여, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 경사지게 하여 배치함으로써, 간극(132)의 스페이스를 효율적으로 이용하면서, 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다. 또한, 도 10에서는, 금속판(133a)이 리더 라이터(120)로부터의 자계를 되돌리지 않도록 하기 위해, 금속판(133a)과 중첩되도록 자성 시트(134)가 설치되어 있다. 또한, 금속판(133a)측의 단부(11e)를 중심축으로 하여, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 안테나 기판(11)을 경사지게 하는 각도를 θ로서 정의한다.
다음에, 경사 각도 θ를 변화시켰을 때의 안테나 코일(11a)의 통신 특성에 대해 평가한다.
평가 조건으로서, 다음과 같이 하였다. 즉, 리더 라이터(120)의 안테나(121)는 외형 66㎜×100㎜의 2권취 코일로 하였다. 금속판(133a)은, xyz축 방향에서 규정되는 외형이, 60㎜×45㎜×5㎜의 알루미늄판으로 하였다. 안테나 코일(11a)은 xy축 방향에서 규정되는 외형이 40㎜×5㎜, 중심 부분(11c)에 자성 시트(13)가 삽입된 구조이고, 4권취 코일을 사용하였다. 또한, z축 방향에서 규정되는, 금속판(133a)의 표면으로부터 안테나 코일(11a)의 단부(11e)까지의 거리는 1㎜로 하였다. 또한, y축 방향에서 규정되는, 금속판(133a)의 단부(133b)로부터 안테나 코일(11a)의 단부(11e)까지의 거리는 2.5㎜로 하였다.
상기한 바와 같은 평가 조건하에서, 안테나 기판(11)의 형상을 일정하게 한 경우 「폭:일정」과, 안테나 코일(11a)의 단부(11d)로부터 다른 쪽의 단부(11e)까지의 폭을 경사 각도 θ에 따라 1/cosθ로 되도록 변화시킨 경우 「폭:1/cosθ」의 결합 계수에 대해 도 11에 나타낸다.
이 도 11에 나타내는 바와 같이, 경사 각도 θ를 0도로부터 기울임으로써 결합 계수의 개선이 보인다. 또한, 「폭:일정」에서는, 25∼30도의 각도에서 특성이 가장 높아진다.
또한, 「폭:1/cosθ」에서는, 경사 각도 θ가 커지는 데에 수반하여, 안테나 코일(11a)의 폭이 커지므로, 결합 계수가 높아진다. 이로 인해, 안테나 코일(11a)은, 안테나 기판(11)을 경사 각도 θ로 기울였을 때에, 간극(132)에 수납 가능한 범위 내에서, 안테나 코일(11a)의 폭을 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 케이스(131)의 내부 구조에 있어서 ZY면에서 규정되는 간극(132)의 영역이 대략 정사각형인 것으로 하면, θ가 45도 정도인 각도가, 간극(132)의 스페이스를 유효 활용하는 관점으로부터 특히 적합하다.
다음에, 상기한 평가 조건에 있어서, 안테나 기판(11)의 형상을 일정하게 하고, 또한, 안테나 코일(11a)의 구조에 대해, 안테나 모듈(1b, 1c, 1d)의 것을 사용하였을 때의 결합 계수의 특성에 대해 도 12에 나타낸다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 안테나 모듈(1b)에 따른 안테나 코일(11a)이, 25∼30도의 각도에서 특성이 가장 높아지는 것에 대해, 안테나 모듈(1c, 1d)에 따른 안테나 코일(11a)에서는, 45도 이상 기울였을 때에 특성이 가장 높아진다.
따라서 안테나 모듈(1b, 1c, 1d)에 대해 경사 각도 θ를 크게 함으로써, 결합 계수가 높아지는 각도 조건이 있지만, 박형화의 관점으로부터, z축 방향에서 규정되는 간극(132)의 두께가 제한되어 있는 경우에는, 특히 안테나 모듈(1b)이 간극(132)의 스페이스를 유효 활용하는 관점으로부터 적합하다.
이와 같이 하여, 안테나 모듈(1b, 1c, 1d)은, 안테나 기판(11)의, 금속판(133a)측의 단부(11e)를 중심축으로 하여, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 경사지게 하여 배치함으로써, 간극(132)의 스페이스를 효율적으로 이용하면서, 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다. 그리고, 박형화의 관점으로부터, z축 방향에서 규정되는 간극(132)의 두께가 제한되어 있는 경우에는, 특히 안테나 모듈(1b)이 간극(132)의 스페이스를 유효 활용하면서, 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다.
<제2 실시예>
다음에, 본 발명이 적용된 제2 실시예에 따른 통신 장치에 대해 설명한다. 이 통신 장치는, 상술한 제1 실시예에 따른 안테나 모듈(1a, 1b, 1c, 1d)을 내장한 전자 기기이다. 본 실시예에서는, 도 13에 도시한 바와 같은 휴대 전화기(230)를 사용하여 구체적으로 설명한다.
즉, 휴대 전화기(230)는, 도 13의 (a)에 도시한 바와 같이, 상술한 휴대 전화기(130)와 마찬가지로, 케이스(131) 내부에, 배터리 팩(133)과, 안테나 모듈(1a, 1b, 1c, 1d) 중 어느 하나의 안테나 모듈을 구비한다. 여기서, 휴대 전화기(230)는, 효율적으로 안테나 모듈(1a, 1b, 1c, 1d)의 안테나 코일(11a)에 인입하게 하기 위해, 배터리 팩(133)의 리더 라이터(120)와 대향하는 금속판(133a)과 중첩되도록 자성 시트(234)가 설치되어 있다. 이 자성 시트(234)는, 리더 라이터(120)로부터의 자계를 금속판(133a)이 되돌리는 것을 방지하기 위해, 상술한 바와 같이 금속판(133a)과 중첩되지만, 또한, 안테나 코일(11a)에 자계를 효율적으로 인입하게 하기 위해, 도 13의 (b)에 도시한 바와 같이, 안테나 코일(11a)측의 단부(234a)가, 리더 라이터(120)와 대향하는 안테나 코일(11a)의 리더 라이터(120)와 대향하는 면과 중첩되지 않도록, 안테나 코일(11a)측으로 연신되어 있다.
여기서, 자성 시트(234)를, 안테나 코일(11a)의 리더 라이터(120)와 대향하는 면과 중첩시키지 않도록 하는 이유는, 가령 중첩시키면, 안테나 코일(11a)이 받는 자계가 억제되어 버리므로, 바람직하지 않기 때문이다.
또한, 도 13의 (b)에서는, 휴대 전화기(230)에 내장되는 안테나 모듈(1a, 1b, 1c, 1d) 중, 안테나 모듈(1b)에 따른 안테나 코일(11a)의 중심 부분(11c)에 자성 시트(13)가 삽입된 구조를 도시하고 있다.
다음에, 금속판(133a)에 중첩된 자성 시트(234)의 단부(234a)와, 안테나 코일(11a)과의 상대적인 위치를 변화시켰을 때의, 안테나 코일(11a)의 통신 특성에 대해 평가한다.
구체적인 평가 조건으로서는, 다음과 같이 하였다. 즉, 리더 라이터(120)의 안테나(121)는 xy축 방향에서 규정되는 외형이 66㎜×100㎜인 2권취 코일로 하였다. 또한, 금속판(133a)은, 60㎜×45㎜×5㎜의 알루미늄판으로 하였다. 안테나 코일(11a)은 xy축 방향에서 규정되는 외형이 40㎜×5㎜, 중심 부분(11c)에 자성 시트(13)가 삽입된 구조이고, 4권취 코일이다. 또한, z축 방향에서 규정되는, 금속판(133a)의 표면으로부터 안테나 코일(11a)의 단부(11e)까지의 거리는 1㎜로 하였다. 또한, y축 방향에서 규정되는, 금속판(133a)의 단부(133b)로부터 안테나 코일(11a)의 단부(11e)까지의 거리는 2.5㎜로 하였다. 또한, 금속판(133a)에 두께가 0.1㎜의 자성 시트(234)를 부착하고, y축에서 규정되는 폭 방향의 사이즈를 변화시켜, 그 결합 계수를 구하였다. 결합 계수를 도 14에 나타낸다. 여기서, 도 14에서는, 금속판(133a)의 중심 부분(133c)으로부터 자성 시트(234)의 단부(234a)까지의 y축 방향에서 규정되는 폭 b를 15㎜∼25㎜까지 변화시켰을 때의, 결합 계수의 변화를 나타내고 있다.
여기서, 금속판(133a)의 y축 방향의 폭이 45㎜이므로, b의 값이 22.5㎜일 때, 자성 시트(234)의 단부(234a)가, 금속판(133a)의 단부(133b)와 일치한다. 또한, b의 값이 25㎜일 때, 자성 시트(234)의 단부(234a)가, 안테나 코일(11a)의 단부(11e)와 자성 시트(13)의 단부(13a)에 각각 일치한다.
도 14에 나타내는 바와 같이, b의 값이 22.5㎜부터 25㎜까지 변화하면, 이 변화에 따라, 안테나 코일(11a)의 결합 계수가 급격하게 높아진다.
이것은, 금속판(133a)과 평행하게 흐르는 자계를, 단부(133b) 부근에서 발산시키는 일 없이, 자성 시트(234)를 통해, 안테나 코일(11a)에 인입하게 할 수 있기 때문이다.
이와 같이 하여, 휴대 전화기(230)는, 안테나 코일(11a)측의 단부(234a)가, 리더 라이터(120)와 대향하는 안테나 코일(11a)의 면과 중첩되지 않도록, 안테나 코일(11a)측으로 연신되어 있으므로, 안테나 코일(11a)에 효율적으로 자계를 인입하게 할 수 있고, 결과적으로 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다.
<제3 실시예>
상술한 바와 같이, 본 발명이 적용된 안테나 모듈의 안테나 코일(11a)은, 금속판(133a)의 근방이며, 또한, 금속판(133a)과 중첩되지 않는 위치에 배치되는 것이, 높은 결합 계수와 높은 Q값을 양립하는 점으로부터 바람직하다.
여기서, 리더 라이터(120)와의 사이에서 13.56㎒의 발신 주파수를 이용한 자계에 의해 유도 결합하는 경우에, 도 15의 (a)에 도시한 바와 같이, 케이스(131)의 내주벽(131a)과, 금속판(133a)의 단부(133b)와의 사이, 즉 간극(132)의 y축 방향에서 규정되는 폭을 d[㎜]로 한다. 이 폭 d[㎜]를 변화시킴과 함께, 예를 들면 안테나 코일(11a)의 xy 평면에서 규정되는 면적을 300[㎟]로 고정하고, 간극(132)의 폭 d[㎜]와 대략 일치하도록 안테나 코일(11a)의 y축 방향의 폭을 d-1[㎜]로 하여 변화시키면, 도 15의 (b)에 나타내는 바와 같이 결합 계수가 변화한다. 또한, 도 15의 (b)에서는, 편의상, 안테나 모듈(1b)의 안테나 코일(11a)을 사용하여 평가를 행하고 있다.
이 도 15의 (b)의 결과로부터 명백한 바와 같이, 폭 d[㎜], 즉 간극(132)의 폭과 함께 안테나 코일(11a)의 폭이 커지는 데에 수반하여 결합 계수가 증가하고, 폭 d[㎜]가 대략 8.00∼대략 14.00㎜일 때, 피크를 대략 10.00㎜로 하여 결합 계수가 커진다. 또한, 폭 d[㎜]가 대략 8.00∼대략 10.00㎜의 범위에서 결합 계수가 커지지만, 대략 10.00㎜보다 크게 해도 통신 특성의 향상이 대략 포화된다. 이와 같은 특성은, 케이스(131)의 주위, 구체적으로는 간극(132)의 자력 밀도가, 비교적 외주벽(131b)측이 크기 때문이다.
또한, 폭 d[㎜]는, 8.00㎜ 미만이어도 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다. 예를 들면, 도 16의 (a)에 도시한 바와 같이, 안테나 기판(11)의, 금속판(133a)측의 단부(11e)를 중심축으로 하여, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 경사지게 하여 배치한다. 이때, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 안테나 기판(11)을 경사지게 하는 각도 θ를 0°, 30°, 45°로 하고, 간극(132)의 y축 방향에서 규정되는 폭을 d[㎜]를 변화시키면, 도 16의 (b)에 나타내는 바와 같이 결합 계수가 변화한다. 또한, 안테나 코일(11a)의 형상은, 단부(11d, 11e)가, 각각 케이스(131)의 내주벽(131a)과, 금속판(133a)의 단부(133b)와 일치하도록 형상을 변화시키고 있다.
이와 같은 조건하에서, 도 16의 (b)로부터 명백한 바와 같이, 경사 각도 θ가 커지는 데에 수반하여, d[㎜]의 값이 보다 작은, 즉 간극(132)이 보다 좁은 경우에, 결합 계수가 최적으로 된다.
이 결과로부터 명백한 바와 같이, 폭 d[㎜]는, 8.00㎜ 미만이어도 안테나 기판(11)을 기울임으로써 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다.
상술한 도 15의 (b) 및 도 16의 (b)의 결과로부터 명백한 바와 같이, 제3 실시예에서, 안테나 코일(11a)은, 금속판(133a)측의 단부(11e)가, 케이스(131)의 내주벽(131a)을 기준으로 하여 내주벽(131a)에 대한 수직한 y축 방향으로 대략 14.00㎜ 이하일 때 비교적 높은 결합 계수를 실현하고, 작은 스페이스화를 실현하면서, 양호한 특성을 실현할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 금속판(133a)측의 단부(11e)가, 케이스(131)의 내주벽(131a)을 기준으로 하여 내주벽(131a)에 대한 수직한 y축 방향으로 대략 10.00㎜ 이하일 때 특히 높은 결합 계수를 실현하고, 작은 스페이스화를 실현하면서, 양호한 특성을 실현할 수 있다.
따라서, 휴대 전화기(130)에 내장되는 안테나 기판(11)의 기판면의 사이즈가 제한되어 있는 경우, 안테나 코일(11a)은, 케이스(131)의 내주벽(131a)을 기준으로 하여 내주벽(131a)에 대한 수직한 y축 방향으로 대략 14.00㎜ 이하, 보다 바람직하게는, 대략 10.00㎜ 이하의 위치로 되는 조건을 충족시켜, x축 방향으로 규정되는 폭을 규정하는 것이, 다음 평가 결과로부터 바람직하다.
성능 평가로서는, 상술한 도 7에 도시한 바와 같이 하여, 금속판(133a)의 근방에 배치한 안테나 기판(11)과 리더 라이터(120)를 대향시켰다. 또한, 리더 라이터(120)의 안테나(121)는, xy축 방향에서 규정되는 외형이 66㎜×100㎜인 2권취 코일로 하였다. 또한, 금속판(133a)은 xyz축 방향에서 규정되는 치수가 100㎜×50㎜×0.3㎜의 스테인리스로 하였다. 안테나 모듈(1b)의 안테나 코일(11a)은, 안테나 기판(11)의 내주벽(131a)측의 단부(11d)의 위치를 케이스(131)의 내주벽(131a)의 위치에 대략 고정한 상태에서, xy축 방향에서 규정되는 외형을 각각 300㎟, 400㎟, 500㎟로 하고, 4권취 코일이다. 또한, z축 방향에서 규정되는, 금속판(133a)의 표면으로부터 안테나 코일(11a)의 표면까지의 거리는 1㎜로 하였다. 또한, 리더 라이터(120)와 대향하는 면 xy에 대해 안테나 기판(11)을 경사지게 하는 각도 θ는 0°로 하였다.
이와 같은 조건하에서, 안테나 코일(11a)의 y축 방향의 폭에 대한 x축 방향의 폭의 비(이하, 종횡비라 함)를 변화시켰을 때의 결합 계수의 변화를 도 17에 나타낸다.
도 17의 (a)는, xy축 방향에서 규정되는 외형을 300㎟로 하고, 도 17의 (b)는, xy축 방향에서 규정되는 외형을 400㎟로 하고, 도 17의 (c)는, xy축 방향에서 규정되는 외형을 500㎟로 하고 있다.
도 17의 (a)에서는, 종횡비가 3보다 커지면 결합 계수의 상승이 포화되고, 도 17의 (b)에서는, 종횡비가 4보다 커지면 결합 계수의 상승이 포화되고, 도 17의 (c)에서는, 종횡비가 5보다 커지면 결합 계수의 상승이 포화된다. 즉, 안테나 코일(11a)은, y축 방향의 폭이 대략 10.00㎜보다 광폭으로 해도 결합 계수의 상승이 포화되어 있는 것을 나타내고 있다.
이 결과로부터 보아도 명백한 바와 같이, 안테나 코일(11a)은, 금속판(133a)측의 단부(11e)가, 케이스(131)의 내주벽(131a)을 기준으로 하여 내주벽(131a)에 대한 수직한 y축 방향으로 대략 14.00㎜ 이하, 보다 바람직하게는, 대략 10.00㎜ 이하의 위치로 되도록 배치됨으로써, 작은 스페이스화를 실현하면서 양호한 특성을 실현할 수 있다. 이와 같이, 통신 특성의 개선을 도모하기 위해, 안테나 코일(11a)의 xy축 방향에서 규정되는 면적을 넓히기 위해서는, 금속판(133a)측의 단부(11e)가, 케이스(131)의 내주벽(131a)을 기준으로 하여 내주벽(131a)에 대한 수직한 y축 방향으로 대략 10.00㎜ 이하의 위치로 되는 조건을 충족시킨 상태에서, x축 방향으로 폭을 넓힌 편이 바람직하다.
또한, 간극(132)의 y축 방향의 폭이 8.00㎜ 이하로 제한되어 있는 경우에는, 이 폭의 협소함에 따라, 안테나 기판(11)의 경사 각도 θ를 크게 함으로써, 양호한 통신 특성을 실현할 수 있다.
이상과 같이, 제3 실시예에 따른 안테나 코일(11a)에서는, 특히, 단위 면적당 특성을 높이는 것이 가능해져, 소형이고 실장의 제약이 적어지는 동시에 비용 경쟁력이 높은 안테나 모듈을 실현할 수 있다.
1 : 통신 장치
1a, 1b, 1c, 1d : 안테나 모듈
11 : 안테나 기판
11a : 안테나 코일
11b : 단자부
11c : 중심 부분
11d, 11e, 13a, 113b, 133b, 234a : 단부
111 : 중심축
12 : 통신 처리부
13, 134, 234 : 자성 시트
100 : 무선 통신 시스템
120 : 리더 라이터
121 : 안테나
122 : 제어 기판
130, 230 : 휴대 전화기
131 : 케이스
131a : 내주벽
131b : 외주벽
132 : 간극
133 : 배터리 팩
133a : 금속판
133c : 중심 부분

Claims (12)

  1. 전자 기기에 내장되고, 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 안테나 장치에 있어서,
    상기 전자 기기의 케이스 내부의 상기 발신기에 대향한 도전체의 단부와 상기 케이스의 내주벽과의 간극에, 상기 도전체의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되고, 상기 발신기와 유도 결합되는 안테나 코일을 구비하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 코일은, 상기 도전체측의 단부를 중심축으로 하여, 상기 발신기와 대향하는 면에 대해 경사지게 하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안테나 코일에 상기 발신기로부터 발신되는 자계를 인입하는 자성 시트를 더 구비하고,
    상기 안테나 코일은, 프린트 기판 상의 신호선을 사용하여 형성되고,
    상기 자성 시트가, 상기 프린트 기판 상에 형성된 상기 안테나 코일의 중심 부분에 삽입됨으로써, 상기 발신기와 대향하는 케이스면의 중심측에서는 상기 자성 시트가 상기 안테나 코일보다도 상기 발신기측에 위치하는 배치 조건과, 상기 케이스면의 외주측에서는 상기 안테나 코일이 상기 자성 시트보다도 상기 발신기측에 위치하는 배치 조건의 양쪽 모두의 배치 조건을 충족시키도록 하여, 상기 안테나 코일과 상기 자성 시트가 서로 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발신기는, 발신 주파수가 13.56㎒의 자계를 발신하고,
    상기 안테나 코일은, 그 안테나 코일에 있어서의 상기 도전체측의 단부가, 상기 케이스의 내주부를 기준으로 하여 그 내주부에 대한 수직 방향으로 대략 14.00㎜ 이하의 위치로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안테나 코일은, 그 안테나 코일에 있어서의 상기 도전체측의 단부가, 상기 케이스의 내주부를 기준으로 하여 그 내주부에 대한 수직 방향으로 대략 10.00㎜ 이하의 위치로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 통신 장치에 있어서,
    상기 전자 기기의 케이스 내부의 상기 발신기에 대향한 도전체의 단부와 상기 케이스의 내주벽과의 간극에, 상기 도전체의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되고, 상기 발신기와 유도 결합되는 안테나 코일과,
    상기 안테나 코일에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 상기 발신기와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부
    를 구비하는 통신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 발신기와 대향한 상기 도전체의 표면을 덮는 제2 자성 시트를 구비하고,
    상기 제2 자성 시트는, 상기 안테나 코일측의 단부가, 상기 발신기와 대향하는 상기 안테나 코일의 면과 중첩되지 않도록, 상기 안테나 코일측으로 연신되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안테나 코일에 상기 발신기로부터 발신되는 자계를 인입하는 제1 자성 시트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 자성 시트는, 상기 안테나 코일측의 단부의 위치가, 상기 제1 자성 시트의 상기 도전체측의 단부의 위치와 대략 일치하도록, 상기 안테나 코일측으로 연신되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 발신기는, 발신 주파수가 13.56㎒의 자계를 발신하고,
    상기 안테나 코일은, 그 안테나 코일에 있어서의 상기 도전체측의 단부가, 상기 케이스의 내주부를 기준으로 하여 그 내주부에 대한 수직 방향으로 대략 14.00㎜ 이하의 위치로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 안테나 코일은, 그 안테나 코일에 있어서의 상기 도전체측의 단부가, 상기 케이스의 내주부를 기준으로 하여 그 내주부에 대한 수직 방향으로 대략 10.00㎜ 이하의 위치로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  12. 발신기로부터 발신되는 자계를 받아 통신 가능해지는 통신 장치에 있어서,
    전력 공급부와,
    상기 전자 기기의 케이스 내부의 상기 발신기에 대향한 도전체의 단부와 상기 케이스의 내주벽과의 간극에, 상기 도전체의 외주부를 둘러싸지 않도록 하여 권회되고, 상기 발신기와 유도 결합되는 안테나 코일과,
    상기 배터리로부터 공급되는 전력에 의해 구동되고, 상기 발신기와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부
    를 구비하는 통신 장치.
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