WO2012133232A1

WO2012133232A1 - アンテナ装置及び通信装置

Info

Publication number: WO2012133232A1
Application number: PCT/JP2012/057614
Authority: WO
Inventors: 折原　勝久; 池田　義人; 憲男斎藤; 悟杉田
Original assignee: ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-10-04
Also published as: TWI569507B; CN103534870A; CN103534870B; EP2693562A1; RU2600528C2; RU2013146181A; EP2693562A4; KR101918322B1; TW201246689A; JP2012217133A; JP5950549B2; US20140104127A1; KR20140026428A; US9252488B2; EP2693562B1; BR112013025182A2; HK1190233A1

Abstract

　電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図りつつ、良好な通信特性を実現可能なアンテナ装置を提供する。携帯電話機（１３０）に組み込まれ、リーダライタ（１２０）から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナモジュール（１ａ）において、携帯電話機（１３０）の筐体（１３１）内部のリーダライタ（１２０）に対向した金属板（１３３ａ）の端部（１３３ｂ）と筐体（１３１）の内周壁（１３１ａ）との隙間（１３２）に、金属板（１３３ａ）の外周部を囲まないようにして巻回され、リーダライタ（１２０）と誘導結合されるアンテナコイル（１１ａ）を備える。

Description

アンテナ装置及び通信装置

　本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置及び通信装置に関する。
　本出願は、日本国において２０１１年３月３０日に出願された日本特許出願番号特願２０１１－０７５４９４及び日本国において２０１１年１１月２９日に出願された日本特許出願番号２０１１－２６０６３０を基礎として優先権を主張するものであり、これらの出願は参照されることにより、本出願に援用される。

　携帯電話機などの電子機器において、近距離非接触通信の機能を搭載するため、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用のアンテナモジュールが用いられている。

　このアンテナモジュールは、リーダライタなどの発信器に搭載されたアンテナコイルと誘導結合を利用して通信を行っている。すなわち、このアンテナモジュールは、リーダライタからの磁界をアンテナコイルが受けることによって、それを電力に変換して通信処理部として機能するＩＣを駆動させることができる。

　アンテナモジュールは、確実に通信を行うため、リーダライタからのある値以上の磁束をアンテナコイルで受ける必要がある。そのために、従来例に係るアンテナモジュールでは、携帯電話機の筐体にループコイルを設け、このコイルでリーダライタからの磁束を受けている。

　たとえば、特許文献１には、携帯端末装置に内蔵するループアンテナの特性を向上する方法として、内蔵バッテリの周囲に可撓性ケーブルやフラットケーブルを配置する方法が提案されている。

特開２００５－３０３５４１号公報

　上記特許文献１に記載の発明は、筐体内の隙間にアンテナを配置するため、その形状を一定にすることが困難となり、インダクタンスの変化量が大きくなるため、共振周波数の変動が大きいという問題があった。

　特に、可撓性ケーブルでアンテナを形成した場合は、上記特許文献１に記載の発明は、配線間の分布容量を調整することが困難なため、共振周波数の調整に多大な工数が必要となるという問題があった。

　本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図りつつ、良好な通信特性を実現可能なアンテナ装置及び通信装置を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決するため、本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置において、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、発信器と誘導結合されるアンテナコイルを備える。

　また、本発明は、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、アンテナコイルに流れる電流により駆動し、発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える。

　本発明は、アンテナコイルが、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回されているので、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図ることができる。さらに、本発明は、発信器に対向した導電体の磁気特性を利用して、良好な通信特性を実現することができる。

図１は、本発明が適用されたアンテナモジュールが組み込まれた無線通信システムの構成について説明するための図である。図２Ａは、本発明が適用されたアンテナ装置の配置について説明するための斜視図である。図２Ｂは、本発明が適用されたアンテナ装置の配置について説明するための断面図である。図３は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための図である。図４Ａは、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図４Ｂは、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための断面図である。図５Ａは、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図５Ｂは、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための断面図である。図６は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図７は、金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係について説明するための図である。図８は、金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係を変化させたときの、第１の実施例に係るアンテナコイルの結合係数を示す図である。図９は、金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係を変化させたときの、第１の実施例に係るアンテナコイルのＱ値を示す図である。図１０は、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対してアンテナ基板１１を傾斜する角度θを変化させた構造について説明するための図である。図１１は、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対してアンテナ基板１１を傾斜する角度θを変化させたときのアンテナコイルの結合係数について説明するための図である。図１２は、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対してアンテナ基板１１を傾斜する角度θを変化させたときのアンテナコイルの結合係数について説明するための図である。図１３Ａ及び図１３Ｂは、本発明が適用された第２の実施例に係る通信装置について説明するための図である。図１４は、金属板に重畳した磁性シートの端部と、アンテナコイルとの相対的な位置を変化させたときの、アンテナコイルの結合特性について説明するための図である。図１５Ａ及び図１５Ｂは、アンテナコイルの寸法に応じた通信特性の変化について説明するための図である。図１６Ａ及び図１６Ｂは、アンテナコイルの寸法に応じた通信特性の変化について説明するための図である。図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１７Ｃは、アンテナコイルのｙ軸方向の幅に対するｘ軸方向の幅の比を変化させたときの結合係数の変化を示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。

　本発明が適用された通信装置は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる装置であって、例えば図１に示すようなＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用の無線通信システム１００に組み込まれて使用される。

　無線通信システム１００は、通信装置１と、通信装置１に対するアクセスを行うリーダライタ１２０とからなる。ここで、通信装置１とリーダライタ１２０とは、三次元直交座標系ｘｙｚのｘｙ平面において互いに対向するように配置されているものとする。

　リーダライタ１２０は、ｘｙ平面において互いに対向する通信装置１に対して、ｚ軸方向に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、通信装置１に向けて磁界を発信するアンテナ１２１と、アンテナ１２１を介して誘導結合された通信装置１と通信を行う制御基板１２２とを備える。

　すなわち、リーダライタ１２０は、アンテナ１２１と電気的に接続された制御基板１２２が配設されている。この制御基板１２２には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、通信装置１から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、通信装置１に対してデータを送信する場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ１２１を駆動する。また、制御回路は、通信装置１からデータを読み出す場合、アンテナ１２１で受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。

　通信装置１は、例えばリーダライタ１２０とｘｙ平面において対向するように配置される携帯電話機１３０の筐体１３１の内部に組み込まれ、誘導結合されたリーダライタ１２０との間で通信可能となるアンテナコイル１１ａが実装されたアンテナ基板１１を有するアンテナモジュール１ａと、アンテナコイル１１ａに流れる電流により駆動し、リーダライタ１２０との間で通信を行う通信処理部１２とを備える。

　なお、通信処理部１２は、アンテナコイル１１ａではなく、後述するような通信装置１が組み込まれた携帯電話機１３０のバッテリパック１３３や外部電源などの電力供給部からの電力によって駆動してもよい。

　アンテナ基板１１には、例えばフレキシブルフラットケーブルなどの可撓性の導線をパターニング処理などすることによって形成されるアンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａと通信処理部１２とを電気的に接続する端子部１１ｂとが実装されている。

　アンテナコイル１１ａは、リーダライタ１２０から発信される磁界を受けると、リーダライタ１２０と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、端子部１１ｂを介して受信信号を通信処理部１２に供給する。

　通信処理部１２は、アンテナコイル１１ａに流れる電流により駆動し、リーダライタ１２０との間で通信を行う。具体的に、通信処理部１２は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該通信処理部１２が有する内部メモリに書き込む。また、通信処理部１２は、リーダライタ１２０に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル１１ａを介して変調された電波をリーダライタ１２０に送信する。

　＜第１の実施例＞
　以上のような構成からなる無線通信システム１００において、以下では、まず、第１の実施例として、アンテナモジュール１ａの構成について説明する。

　第１の実施例に係るアンテナモジュール１ａのアンテナコイル１１ａは、携帯電話機１３０などの電子機器に組み込んだ際に当該電子機器の小型化を図りつつ、リーダライタ１２０との間で良好な通信特性を実現する観点から、例えば、図２Ａに示すような三次元直交座標系ｘｙｚのｘｙ平面上であって、携帯電話機１３０の筐体１３１内部に設けられたバッテリパック１３３と、筐体１３１の内周壁１３１ａとの隙間１３２に配置される。

　なお、第１の実施例に係るアンテナモジュールは、上記のようにバッテリパック１３３と筐体１３１の内周壁１３１ａとの隙間１３２だけでなく、例えば集積回路基板などの筐体１３１内部に配置された導電体と筐体の内周壁との隙間に設けるようにしてもよい。本実施例では、アンテナモジュールが、便宜上、板状の導電体として、図２Ｂに示すようなバッテリパック１３３の金属筐体である、リーダライタ１２０に対向した金属板１３３ａの端部１３３ｂと、筐体１３１の内周壁１３１ａとの間に配置されているものとして説明する。

　ここで、図２Ｂの断面図で示すように、携帯電話機１３０に配置されたバッテリパック１３３の金属筐体である金属板１３３ａは、電気を比較的よく流すので、外部から交流磁界が加わると渦電流が発生し、磁界を跳ね返してしまう。このような外部から交流磁界が加わるときの磁界分布を調べると、リーダライタ１２０と対向したバッテリパック１３３の金属板１３３ａの端部１３３ｂの磁界が強いという特性を有する。

　このような携帯電話機１３０の筐体１３１内部の磁界強度の特性を利用して良好な通信特性を実現するため、アンテナモジュール１ａのアンテナコイル１１ａは、例えば図３に示すように、ｚ軸と平行なアンテナコイル１１ａの中心軸１１１が、金属板１３３ａの端部１３３ｂと筐体１３１の内周壁１３１ａとの隙間１３２を通過し、さらに、コイル線が、隙間１３２に巻回されたものを用いることができる。

　また、ｚ軸と平行なアンテナコイル１１ａの中心軸１１１が隙間１３２を通過し、この隙間１３２に巻回されたアンテナコイルを有するアンテナモジュール１ｂ、１ｃとして、例えば図４Ａ、図５Ａに示すようなアンテナ基板１１の中心部分１１ｃに磁性シート１３が差し込まれた構造のものを用いるようにしてもよい。

　ここで、図４Ａに示すアンテナモジュール１ｂは、図４Ｂに示すように、金属板１３３ａの端部１３３ｂ側では磁性シート１３がアンテナコイル１１ａよりもリーダライタ１２０側に位置するように配置され、筐体１３１の内周壁１３１ａ側ではアンテナコイル１１ａが磁性シート１３よりもリーダライタ１２０側に位置するように配置されるように、磁性シート１３が、アンテナ基板１１上に形成されたアンテナコイル１１ａの中心部分１１ｃに差し込まれたものである。

　また、図５Ａに示すアンテナモジュール１ｃは、図５Ｂに示すように、金属板１３３ａの端部１３３ｂ側ではアンテナコイル１１ａが磁性シート１３よりもリーダライタ１２０側に位置するように配置され、筐体１３１の内周壁１３１ａ側では磁性シート１３がアンテナコイル１１ａよりもリーダライタ１２０側に位置するように配置されるように、磁性シート１３が、アンテナ基板１１上に形成されたアンテナコイル１１ａの中心部分１１ｃに差し込まれたものである。

　さらに、アンテナコイル１１ａは金属板１３３ａの外周を囲まないようにして巻回されていればよい。換言すれば、アンテナコイル１１ａの中心軸が隙間１３２を通過するようにして、コイル線が巻回されていればよい。例えば、図６に示すような、隙間１３２に配置されたアンテナ基板１１のｘｚ平面で規定される断面を囲み、巻回方向が内周壁１３１ａと平行になるようにして巻回されたアンテナコイル１１ａを有するアンテナモジュール１ｄを用いるようにしてもよい。

　第１の実施例では、上記のようなアンテナ構造の異なる４種類のアンテナモジュールのうち、アンテナモジュール１ｂの通信特性を用いて評価する。これは、アンテナモジュール１ｂが、他のアンテナモジュール１ａ、１ｃ、１ｄと比較して、金属板１３３ａの端部１３３ｂの周囲に生じる磁界を効率よくアンテナコイル１１ａに引き込ませることができるように磁性シート１３が配置されているからである。

　まず、性能評価としては、図７に示すようにして、金属板１３３ａとリーダライタ１２０とを対向させて、金属板１３３ａとアンテナ基板１１との相対的な位置関係を変化させたときの通信特性について評価する。

　具体的な評価条件としては、次のようにした。すなわち、リーダライタ１２０のアンテナ１２１は、ｘｙ軸方向で規定される外形が６６ｍｍ×１００ｍｍの２巻コイルとした。また、金属板１３３ａはｘｙｚ軸方向で規定される寸法が１００ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍのステンレスとした。アンテナモジュール１ｂのアンテナコイル１１ａは、ｘｙ軸方向で規定される外形が４０ｍｍ×１０ｍｍとした構造で、４巻のコイルである。さらに、ｚ軸方向で規定される、金属板１３３ａの表面からアンテナコイル１１ａの表面までの距離は１ｍｍとした。

　ここで、金属板１３３ａとアンテナ基板１１との相対的な位置関係を示す値として、次のａを用いた。すなわち、ａは、金属板１３３ａの中心部分１３３ｃから、アンテナ基板１１の内周壁１３１ａ側の端部１１ｄまでのｙ軸方向で規定される距離である。

　以上のような条件の下、ａの値を１５ｍｍから４０ｍｍまで変化させたときの、アンテナコイル１１ａの結合係数の変化を図８に、Ｑ値の変化を図９にそれぞれ示す。

　ここで、金属板１３３ａの幅が５０ｍｍであるので、ａの値が２５ｍｍのとき、金属板１３３ａの端部１３３ｂと、アンテナコイル１１ａの内周壁１３１ａ側の端部１１ｄが一致する。また、アンテナコイル１１ａの幅が１０ｍｍであるので、ａの値が３５ｍｍのとき、アンテナコイル１１ａの金属板１３３ａ側の端部１１ｅが、金属板１３３ａの端部１３３ｂと一致する。

　図８に示すように、ａの値が３０ｍｍの場合、アンテナ基板１１の中心部分１１ｃと、金属板１３３ａの端部１３３ｂとが略一致する場合に、結合係数が最も高く、ａの値が３０ｍｍから離れるのに伴って減少する。また、ａの値が２５ｍｍ、３５ｍｍの場合には、結合係数がほぼ同一の特性を示す。このようにアンテナコイル１１ａを金属板１３３ａの端部１３３ｂの近傍に配置すると結合係数が高いのは、金属板１３３ａの端部１３３ｂ周辺で磁束密度が高いからである。また、金属板１３３ａは、リーダライタ１２０から発信される磁界を受けて渦電流が発生するが、中心部分１３３ｃに比べて端部１３３ｂの方が磁界の強さが大きく、リーダライタ１２０から受けた磁気的なエネルギーを効率よくアンテナコイル１１ａ側に伝えることができるからである。

　また、ａの値が、２５ｍｍより小さくなるように変化させた場合と３５ｍｍより大きくなるように変化させた場合とを比較すると、両方とも結合係数が減少するが、３５ｍｍ以上の場合の方がａの値の変化に対して、結合係数の減少幅が小さい。例えば、ａの値が２２ｍｍ、３８ｍｍの場合を比較すると、ａの値が３８ｍｍの方が２０％程度結合係数が高い。また、ａの値が２０ｍｍ、４０ｍｍの場合を比較すると、ａの値が４０ｍｍの方が４０％程度結合係数が高い。

　また、図９に示すように、アンテナコイル１１ａが金属板１３３ａと離れるのに伴ってＱ値が単調に増加し、特に、ａの値が３５ｍｍよりも大きくなると、すなわちアンテナコイル１１ａが金属板１３３ａと重畳しなくなると、急激にＱ値が増加する。

　これは、アンテナコイル１１ａが金属板１３３ａと離れる方が、アンテナコイル１１ａに流れる電流で発生する磁界を金属板１３３ａが受けて熱エネルギーに変換されることが抑制され、その結果として、アンテナコイル１１ａの抵抗値が見かけ上小さくなるからである。

　上記の性能評価から、単に結合係数を高くするには、アンテナ基板１１の中心部分１１ｃと、金属板１３３ａの端部１３３ｂとが略一致すればよいが、良好な通信特性を得るには、高い結合係数と高いＱ値を両立することを要する。したがって、アンテナコイル１１ａは、金属板１３３ａの近傍であって、かつ、金属板１３３ａと重畳しない位置に配置されることが、高い結合係数と高いＱ値を両立する点から特に好ましく、結果として良好な通信特性を得ることができる。

　このように、本実施例に係るアンテナモジュール１ｂ及びアンテナモジュール１ａ、１ｃ、１ｄは、アンテナコイル１１ａが、金属板１３３ａの外周部を囲まないようにして、隙間１３２に巻回されているので、携帯電話機１３０などの電子機器に組み込んだ際に筐体１３１の小型化を図ることができる。さらに、本実施例に係るアンテナモジュール１ｂ及びアンテナモジュール１ａ、１ｃ、１ｄは、リーダライタ１２０に対向した金属板１３３ａによる磁気特性を利用して、良好な通信特性を実現することができる。

　＜変形例＞
　また、本実施例に係るアンテナモジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのうち、アンテナモジュール１ｂ、１ｃ、１ｄについては、図１０に示すように、アンテナ基板１１の、金属板１３３ａ側の端部１１ｅを中心軸として、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対して傾斜させて配置することで、隙間１３２のスペースを効率よく利用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。なお、図１０では、金属板１３３ａがリーダライタ１２０からの磁界を跳ね返さないようにするため、金属板１３３ａと重畳するように磁性シート１３４が設けられている。また、金属板１３３ａ側の端部１１ｅを中心軸として、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対してアンテナ基板１１を傾斜する角度をθとして定義する。

　次に、傾斜角度θを変化させたときのアンテナコイル１１ａの通信特性について評価する。

　評価条件として、次のようにした。すなわち、リーダライタ１２０のアンテナ１２１は外形６６ｍｍ×１００ｍｍの２巻コイルとした。金属板１３３ａは、ｘｙｚ軸方向で規定される外形が、６０ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム板とした。アンテナコイル１１ａはｘｙ軸方向で規定される外形が４０ｍｍ×５ｍｍ、中心部分１１ｃに磁性シート１３が差し込まれた構造で、４巻のコイルを用いた。さらに、ｚ軸方向で規定される、金属板１３３ａの表面からアンテナコイル１１ａの端部１１ｅまでの距離は１ｍｍとした。また、ｙ軸方向で規定される、金属板１３３ａの端部１３３ｂからアンテナコイル１１ａの端部１１ｅまでの距離は２．５ｍｍとした。

　上記のような評価条件の下、アンテナ基板１１の形状を一定とした場合「幅：一定」と、アンテナコイル１１ａの端部１１ｄから他方の端部１１ｅまでの幅を傾斜角度θに応じて１／ｃｏｓθとなるように変化させた場合「幅：１／ｃｏｓθ」の結合係数について図１１に示す。

　この図１１に示すように、傾斜角度θを０度から傾けることで結合係数の改善が見られる。また、「幅：一定」では、２５～３０度の角度で特性が最も高くなる。

　また、「幅：１／ｃｏｓθ」では、傾斜角度θが大きくなるのに伴って、アンテナコイル１１ａの幅が大きくなるため、結合係数が高くなる。このため、アンテナコイル１１ａは、アンテナ基板１１を傾斜角度θで傾けたときに、隙間１３２に収納可能な範囲内で、アンテナコイル１１ａの幅をできるだけ大きくすることが好ましい。例えば、筺体１３１の内部構造においてＺＹ面で規定される隙間１３２の領域が略正方形であるものとすると、θが４５度程度の角度が、隙間１３２のスペースを有効活用する観点から特に適している。

　次に、上記の評価条件において、アンテナ基板１１の形状を一定とし、さらに、アンテナコイル１１ａの構造について、アンテナモジュール１ｂ、１ｃ、１ｄのものを用いたときの結合係数の特性について図１２に示す。

　図１２に示すように、アンテナモジュール１ｂに係るアンテナコイル１１ａが、２５～３０度の角度で特性が最も高くなるのに対して、アンテナモジュール１ｃ、１ｄに係るアンテナコイル１１ａでは、４５度以上傾けたときに特性が最も高くなる。

　したがって、アンテナモジュール１ｂ、１ｃ、１ｄについて傾斜角度θを大きくすることで、結合係数が高くなる角度条件があるものの、薄型化の観点から、ｚ軸方向で規定される隙間１３２の厚みが制限されている場合には、特にアンテナモジュール１ｂが隙間１３２のスペースを有効活用する観点から適している。

　このようにして、アンテナモジュール１ｂ、１ｃ、１ｄは、アンテナ基板１１の、金属板１３３ａ側の端部１１ｅを中心軸として、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対して傾斜させて配置することで、隙間１３２のスペースを効率よく利用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。そして、薄型化の観点から、ｚ軸方向で規定される隙間１３２の厚みが制限されている場合には、特にアンテナモジュール１ｂが隙間１３２のスペースを有効活用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。

　＜第２の実施例＞
　次に、本発明が適用された第２の実施例に係る通信装置について説明する。この通信装置は、上述した第１の実施例に係るアンテナモジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを組み込んだ電子機器である。本実施例では、図１３に示すような携帯電話機２３０を用いて具体的に説明する。

　すなわち、携帯電話機２３０は、図１３Ａに示すように、上述した携帯電話機１３０と同様に、筐体１３１内部に、バッテリパック１３３と、アンテナモジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのうち何れか一のアンテナモジュールとを備える。ここで、携帯電話機２３０は、効率よくアンテナモジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのアンテナコイル１１ａに引き込ませるため、バッテリパック１３３のリーダライタ１２０と対向する金属板１３３ａと重畳するように磁性シート２３４が設けられている。この磁性シート２３４は、リーダライタ１２０からの磁界を金属板１３３ａが跳ね返すのを防止するため、上述したように金属板１３３ａと重畳するが、更に、アンテナコイル１１ａに磁界を効率よく引き込ませるため、図１３Ｂに示すように、アンテナコイル１１ａ側の端部２３４ａが、リーダライタ１２０と対向するアンテナコイル１１ａのリーダライタ１２０と対向する面と重畳しないように、アンテナコイル１１ａ側に延伸している。

　ここで、磁性シート２３４を、アンテナコイル１１ａのリーダライタ１２０と対向する面と重畳させないようにする理由は、仮に重畳させると、アンテナコイル１１ａが受ける磁界が抑制されてしまうので、好ましくないからである。

　なお、図１３Ｂでは、携帯電話機２３０に組み込まれるアンテナモジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのうち、アンテナモジュール１ｂに係るアンテナコイル１１ａの中心部分１１ｃに磁性シート１３が差し込まれた構造を示している。

　次に、金属板１３３ａに重畳した磁性シート２３４の端部２３４ａと、アンテナコイル１１ａとの相対的な位置を変化させたときの、アンテナコイル１１ａの通信特性について評価する。

　具体的な評価条件としては、次のようにした。すなわち、リーダライタ１２０のアンテナ１２１はｘｙ軸方向で規定される外形が６６ｍｍ×１００ｍｍの２巻コイルとした。また、金属板１３３ａは、６０ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム板とした。アンテナコイル１１ａはｘｙ軸方向で規定される外形が４０ｍｍ×５ｍｍ、中心部分１１ｃに磁性シート１３が差し込まれた構造で、４巻のコイルである。さらに、ｚ軸方向で規定される、金属板１３３ａの表面からアンテナコイル１１ａの端部１１ｅまでの距離は１ｍｍとした。また、ｙ軸方向で規定される、金属板１３３ａの端部１３３ｂからアンテナコイル１１ａの端部１１ｅまでの距離は２．５ｍｍとした。また、金属板１３３ａに厚さが０．１ｍｍの磁性シート２３４を貼り付け、ｙ軸で規定される幅方向のサイズを変化させて、その結合係数を求めた。結合係数を図１４に示す。ここで、図１４では、金属板１３３ａの中心部分１３３ｃから磁性シート２３４の端部２３４ａまでのｙ軸方向で規定される幅ｂを１５ｍｍ～２５ｍｍまで変化させたときの、結合係数の変化を示している。

　ここで、金属板１３３ａのｙ軸方向の幅が４５ｍｍであるため、ｂの値が２２．５ｍｍのとき、磁性シート２３４の端部２３４ａが、金属板１３３ａの端部１３３ｂと一致する。また、ｂの値が２５ｍｍのとき、磁性シート２３４の端部２３４ａが、アンテナコイル１１ａの端部１１ｅと磁性シート１３の端部１３ａとにそれぞれ一致する。

　図１４に示すように、ｂの値が２２．５ｍｍから２５ｍｍまで変化すると、この変化に応じて、アンテナコイル１１ａの結合係数が急激に高くなる。

　これは、金属板１３３ａと平行に流れる磁界を、端部１３３ｂ付近で発散させることなく、磁性シート２３４を介して、アンテナコイル１１ａに引き込ませることができるからである。

　このようにして、携帯電話機２３０は、アンテナコイル１１ａ側の端部２３４ａが、リーダライタ１２０と対向するアンテナコイル１１ａの面と重畳しないように、アンテナコイル１１ａ側に延伸しているので、アンテナコイル１１ａに効率よく磁界を引き込ませることができ、結果として良好な通信特性を実現できる。

　＜第３の実施例＞
　上述したように、本発明が適用されたアンテナモジュールのアンテナコイル１１ａは、金属板１３３ａの近傍であって、かつ、金属板１３３ａと重畳しない位置に配置されることが、高い結合係数と高いＱ値を両立する点から好ましい。

　ここで、リーダライタ１２０との間で１３．５６ＭＨｚの発信周波数を用いた磁界によって誘導結合する場合において、図１５Ａに示すように、筐体１３１の内周壁１３１ａと、金属板１３３ａの端部１３３ｂとの間、すなわち隙間１３２のｙ軸方向で規定される幅をｄ［ｍｍ］とする。この幅ｄ［ｍｍ］を変化させるとともに、例えば、アンテナコイル１１ａのｘｙ平面で規定される面積を３００［ｍｍ^２］に固定し、隙間１３２の幅ｄ［ｍｍ］と略一致するようにアンテナコイル１１ａのｙ軸方向の幅をｄ－１［ｍｍ］として変化させると、図１５Ｂに示すように結合係数が変化する。なお、図１５Ｂでは、便宜上、アンテナモジュール１ｂのアンテナコイル１１ａを用いて評価を行っている。

　この図１５Ｂの結果から明らかなように、幅ｄ［ｍｍ］、すなわち隙間１３２の幅とともにアンテナコイル１１ａの幅が大きくなるのに伴って結合係数が増加し、幅ｄ［ｍｍ］が略８．００～略１４．００ｍｍのとき、ピークを略１０．００ｍｍとして結合係数が大きくなる。また、幅ｄ［ｍｍ］が略８．００～略１０．００ｍｍの範囲で結合係数が大きくなるが、略１０．００ｍｍより大きくしても通信特性の向上がほぼ飽和する。このような特性は、筐体１３１の周囲、具体的には隙間１３２の磁力密度が、比較的外周壁１３１ｂ側が大きいからである。

　また、幅ｄ［ｍｍ］は、８．００ｍｍ未満であっても良好な通信特性を実現することができる。例えば、図１６Ａに示すように、アンテナ基板１１の、金属板１３３ａ側の端部１１ｅを中心軸として、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対して傾斜させて配置する。このとき、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対してアンテナ基板１１を傾斜する角度θを０°、３０°、４５°とし、隙間１３２のｙ軸方向で規定される幅をｄ［ｍｍ］を変化させると、図１６Ｂに示すように結合係数が変化する。なお、アンテナコイル１１ａの形状は、端部１１ｄ、１１ｅが、それぞれ筐体１３１の内周壁１３１ａと、金属板１３３ａの端部１３３ｂと一致するように形状を変化させている。

　このような条件の下、図１６Ｂから明らかなように、傾斜角度θが大きくなるのに伴って、ｄ［ｍｍ］の値がより小さい、すなわち隙間１３２がより狭い場合に、結合係数が最適になる。

　この結果から明らかなように、幅ｄ［ｍｍ］は、８．００ｍｍ未満であってもアンテナ基板１１を傾けることで良好な通信特性を実現することができる。

　上述した図１５Ｂ及び図１６Ｂの結果から明らかなように、第３の実施例において、アンテナコイル１１ａは、金属板１３３ａ側の端部１１ｅが、筐体１３１の内周壁１３１ａを基準として内周壁１３１ａに対する垂直なｙ軸方向に略１４．００ｍｍ以下のとき比較的高い結合係数を実現し、小スペース化を実現しつつ、良好な特性を実現することができる。さらに好ましくは、金属板１３３ａ側の端部１１ｅが、筐体１３１の内周壁１３１ａを基準として内周壁１３１ａに対する垂直なｙ軸方向に略１０．００ｍｍ以下のとき特に高い結合係数を実現し、小スペース化を実現しつつ、良好な特性を実現することができる。

　よって、携帯電話機１３０に組み込まれるアンテナ基板１１の基板面のサイズが制限されている場合、アンテナコイル１１ａは、筐体１３１の内周壁１３１ａを基準として内周壁１３１ａに対する垂直なｙ軸方向に略１４．００ｍｍ以下、より好ましくは、略１０．００ｍｍ以下の位置となる条件を満たして、ｘ軸方向で規定される幅を規定することが、次の評価結果から好ましい。

　性能評価としては、上述した図７に示すようにして、金属板１３３ａの近傍に配置したアンテナ基板１１とリーダライタ１２０とを対向させた。また、リーダライタ１２０のアンテナ１２１は、ｘｙ軸方向で規定される外形が６６ｍｍ×１００ｍｍの２巻コイルとした。また、金属板１３３ａはｘｙｚ軸方向で規定される寸法が１００ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍのステンレスとした。アンテナモジュール１ｂのアンテナコイル１１ａは、アンテナ基板１１の内周壁１３１ａ側の端部１１ｄの位置を筐体１３１の内周壁１３１ａの位置にほぼ固定した状態で、ｘｙ軸方向で規定される外形をそれぞれ３００ｍｍ^２、４００ｍｍ^２、５００ｍｍ^２とし、４巻のコイルである。さらに、ｚ軸方向で規定される、金属板１３３ａの表面からアンテナコイル１１ａの表面までの距離は１ｍｍとした。なお、リーダライタ１２０と対向する面ｘｙに対してアンテナ基板１１を傾斜する角度θは０°とした。

　このような条件の下、アンテナコイル１１ａのｙ軸方向の幅に対するｘ軸方向の幅の比（以下、縦横比という。）を変化させたときの結合係数の変化を図１７に示す。

　図１７Ａは、ｘｙ軸方向で規定される外形を３００ｍｍ^２とし、図１７Ｂは、ｘｙ軸方向で規定される外形を４００ｍｍ^２とし、図１７Ｃは、ｘｙ軸方向で規定される外形を５００ｍｍ^２としている。

　図１７Ａでは、縦横比が３より大きくなると結合係数の上昇が飽和し、図１７Ｂでは、縦横比が４より大きくなると結合係数の上昇が飽和し、図１７Ｃでは、縦横比が５より大きくなると結合係数の上昇が飽和する。すなわち、アンテナコイル１１ａは、ｙ軸方向の幅が略１０．００ｍｍより幅広にしても結合係数の上昇が飽和していることを示している。

　この結果から見ても明らかなように、アンテナコイル１１ａは、金属板１３３ａ側の端部１１ｅが、筐体１３１の内周壁１３１ａを基準として内周壁１３１ａに対する垂直なｙ軸方向に略１４．００ｍｍ以下、より好ましくは、略１０．００ｍｍ以下の位置となるように配置されることで、小スペース化を実現しつつ良好な特性を実現することができる。このように、通信特性の改善を図るため、アンテナコイル１１ａのｘｙ軸方向で規定される面積を広げるには、金属板１３３ａ側の端部１１ｅが、筐体１３１の内周壁１３１ａを基準として内周壁１３１ａに対する垂直なｙ軸方向に略１０．００ｍｍ以下の位置となる条件を満たした状態で、ｘ軸方向に幅を広げた方が好ましい。

　さらに、隙間１３２のｙ軸方向の幅が８．００ｍｍ以下に制限されている場合には、この幅の狭さに応じて、アンテナ基板１１の傾斜角度θを大きくすることで、良好な通信特性を実現することができる。

　以上のように、第３の実施例に係るアンテナコイル１１ａでは、特に、単位面積あたりの特性を高めることが可能となり、小型で実装の制約が少なくなると共にコスト競争力の高いアンテナモジュールを実現することができる。

　１　通信装置、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ　アンテナモジュール、１１　アンテナ基板、１１ａ　アンテナコイル、１１ｂ　端子部、１１ｃ　中心部分、１１ｄ、１１ｅ、１３ａ、１１３ｂ、１３３ｂ、２３４ａ　端部、１１１　中心軸、１２　通信処理部、１３、１３４、２３４　磁性シート、１００　無線通信システム、１２０　リーダライタ、１２１　アンテナ、１２２　制御基板、１３０、２３０　携帯電話機、１３１　筐体、１３１ａ　内周壁、１３１ｂ　外周壁、１３２　隙間、１３３　バッテリパック、１３３ａ　金属板、１３３ｃ　中心部分

Claims

　電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置において、
　上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルを備えるアンテナ装置。
　上記アンテナコイルは、上記導電体側の端部を中心軸として、上記発信器と対向する面に対して傾斜させて配置されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
　上記アンテナコイルに上記発信器から発信される磁界を引き込む磁性シートを更に備え、
　上記アンテナコイルは、プリント基板上の信号線を用いて形成され、
　上記磁性シートが、上記プリント基板上に形成された上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、上記発信器と対向する筐体面の中心側では該磁性シートが上記アンテナコイルよりも上記発信器側に位置する配置条件と、該筐体面の外周側では該アンテナコイルが該磁性シートよりも該発信器側に位置する配置条件との両方の配置条件を満たすようにして、該アンテナコイルと該磁性シートとが互いに重畳されていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
　上記発信器は、発信周波数が１３．５６ＭＨｚの磁界を発信し、
　上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略１４．００ｍｍ以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
　上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略１０．００ｍｍ以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
　発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、
　上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、
　上記アンテナコイルに流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える通信装置。
　上記発信器と対向した上記導電体の表面を覆う第２の磁性シートを備え、
　上記第２の磁性シートは、上記アンテナコイル側の端部が、上記発信器と対向する該アンテナコイルの面と重畳しないように、該アンテナコイル側に延伸していることを特徴とする請求項６記載の通信装置。
　上記アンテナコイルに上記発信器から発信される磁界を引き込む第１の磁性シートを更に備えることを特徴とする請求項７記載の通信装置。
　上記第２の磁性シートは、上記アンテナコイル側の端部の位置が、上記第１磁性シートの上記導電体の側の端部の位置と略一致するように、該アンテナコイル側に延伸していることを特徴とする請求項８記載の通信装置。
　上記発信器は、発信周波数が１３．５６ＭＨｚの磁界を発信し、
　上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略１４．００ｍｍ以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項６記載の通信装置。
　上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略１０．００ｍｍ以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項１０記載の通信装置。
　発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、
　電力供給部と、
　上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、
　上記バッテリから供給される電力により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える通信装置。