WO2013080804A1 - アンテナ装置、通信装置 - Google Patents

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antenna coil
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憲男 斎藤
悟 杉田
池田 義人
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デクセリアルズ株式会社
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    • H01Q7/00Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H01Q7/06Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with core of ferromagnetic material

Definitions

  • the present invention relates to an antenna device and a communication device that are incorporated in an electronic device and can communicate by receiving a magnetic field transmitted from a transmitter.
  • an antenna module for RFID Radio Frequency Identification
  • RFID Radio Frequency Identification
  • This antenna module communicates with an antenna coil mounted on a transmitter such as a reader / writer using inductive coupling. That is, in this antenna module, when the antenna coil receives the magnetic field from the reader / writer, the antenna coil can convert it into electric power and drive an IC that functions as a communication processing unit.
  • the antenna module needs to receive a magnetic flux of a certain value or more from the reader / writer with the antenna coil in order to reliably communicate. Therefore, in the antenna module according to the conventional example, a loop coil is provided in the casing of the mobile phone, and the coil receives the magnetic flux from the reader / writer.
  • an antenna module incorporated in an electronic device such as a mobile phone has a magnetic flux from a reader / writer due to an eddy current generated when a metal such as a substrate or a battery pack inside the device receives a magnetic field from the reader / writer. Will be bounced off, reducing the magnetic flux reaching the loop coil. Since the magnetic flux reaching the loop coil is reduced in this way, the antenna module needs a loop coil of a certain size to collect the necessary magnetic flux, and it is also possible to increase the magnetic flux using a magnetic sheet. Necessary.
  • Patent Document 1 proposes an antenna structure in which a coil is wound around a ferrite core in order to reduce the area occupied by the coil.
  • an electronic device such as a cellular phone that uses relatively good electricity, such as a substrate, is used, so that an eddy current is generated on the substrate that receives the magnetic field, and the magnetic field is rebounded.
  • the magnetic field coming from the reader / writer tends to be strong at the outer peripheral portion of the casing surface and weak near the center of the casing surface.
  • the opening of the loop coil is located at the central portion of the mobile phone that cannot receive the magnetic field passing through the outer peripheral portion of the casing surface described above. For this reason, in the antenna using a normal loop coil, the efficiency which receives a magnetic field has deteriorated.
  • the ferrite core has a thickness of, for example, 1 mm or more because the section of the ferrite core is an area for collecting magnetic flux. It becomes necessary, and the casing of the mobile phone becomes a relatively thick structure. For this reason, a relatively thin mobile phone has a structure that is difficult to mount inside.
  • this antenna module is incorporated on the back side of the liquid crystal display mounted on the foldable mobile phone, it is still necessary to be thin. Therefore, the antenna structure described in Patent Document 1 must secure a space. difficult.
  • the present invention has been proposed in view of such circumstances, and provides a communication device capable of reducing the size of a casing of an electronic device when being incorporated in the electronic device while maintaining communication characteristics.
  • the purpose is to do.
  • the present invention is an antenna device that is incorporated in an electronic device and can communicate by receiving a magnetic field transmitted from a transmitter, and an antenna formed with an antenna coil that is inductively coupled to the transmitter.
  • a magnetic sheet is provided that draws a magnetic field transmitted from the transmitter and the antenna coil into the antenna coil.
  • the magnetic sheet is inserted into the central portion of the antenna coil formed on the antenna substrate, and is magnetic in the insertion direction. Both ends of the sheet are located closer to the center than both ends of the antenna coil.
  • the present invention provides a communication device that can communicate by receiving a magnetic field transmitted from a transmitter, an antenna substrate on which an antenna coil that is inductively coupled to the transmitter is formed, and a magnetic field transmitted from the transmitter.
  • the arrangement condition that the magnetic sheet is located on the transmitter side from the antenna coil, and on the downstream side in the oriented traveling direction The antenna coil and the magnetic sheet are arranged so as to satisfy both the arrangement conditions of the antenna coil and the arrangement condition where the antenna coil is located closer to the transmitter than the magnetic sheet. It is superimposed on the magnetic sheet, in the direction to be inserted into the central portion of the antenna coil, both ends of the magnetic sheet, characterized in that in the center portion than at both ends of the antenna coil.
  • the magnetic sheet is positioned in the center portion of the antenna coil in such a direction that both ends of the magnetic sheet are located closer to the center portion of the antenna coil than both ends of the antenna coil.
  • the housing of the electronic device can be reduced in size and thickness when it is incorporated into the electronic device while maintaining the communication characteristics by being pulled into the portion.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a wireless communication system in which a communication device to which the present invention is applied is incorporated.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration of a communication device arranged inside the casing of the mobile phone.
  • 3A is a perspective view of the antenna module
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the antenna module.
  • 4A and 4B are diagrams for explaining the positional relationship between both ends of the magnetic sheet and both ends of the antenna coil in the antenna module to which the present invention is applied. is there.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the positional relationship between both ends of the magnetic sheet and both ends of the antenna coil in the antenna module according to the comparative example.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the positional relationship between both ends of the magnetic sheet and both ends of the antenna coil in the antenna module according to the comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a change in communication characteristics when a difference in width between the antenna coil and the magnetic sheet is changed.
  • FIG. 7A is a diagram in which an adhesive layer is laminated on the surface of the antenna substrate so as to substantially match the width of the magnetic sheet
  • FIG. 7B is an adhesive layer that substantially matches the width of the antenna coil.
  • 2 is a diagram in which are stacked on the surface of the antenna substrate 11.
  • a communication apparatus to which the present invention is applied is an apparatus incorporated in an electronic device and capable of communicating by receiving a magnetic field transmitted from a transmitter.
  • a RFID Radio Frequency Identification
  • FIG. 100 It is incorporated into the wireless communication system 100 and used.
  • the wireless communication system 100 includes a communication device 1 to which the present invention is applied and a reader / writer 120 that accesses the communication device 1.
  • the communication device 1 and the reader / writer 120 are arranged to face each other on the xy plane of the three-dimensional orthogonal coordinate system xyz.
  • the reader / writer 120 functions as a transmitter that transmits a magnetic field in the z-axis direction to the communication devices 1 facing each other in the xy plane. Specifically, the reader / writer 120 and an antenna 121 that transmits a magnetic field toward the communication device 1 And a control board 122 that communicates with the communication device 1 that is inductively coupled via the antenna 121.
  • the reader / writer 120 is provided with a control board 122 electrically connected to the antenna 121.
  • a control circuit made of electronic components such as one or a plurality of integrated circuit chips is mounted on the control board 122.
  • the control circuit executes various processes based on the data received from the communication device 1. For example, when transmitting data to the communication device 1, the control circuit encodes the data, modulates a carrier wave of a predetermined frequency (for example, 13.56 MHz) based on the encoded data, and modulates the modulation.
  • the signal is amplified, and the antenna 121 is driven by the amplified modulation signal.
  • the control circuit When reading data from the communication apparatus 1, the control circuit amplifies the modulation signal of the data received by the antenna 121, demodulates the modulation signal of the amplified data, and decodes the demodulated data.
  • a coding system and a modulation system used in a general reader / writer are used. For example, a Manchester coding system or an ASK (Amplitude Shift Keying) modulation system is used.
  • the communication device 1 is, for example, an antenna coil that is incorporated in a housing 131 of a mobile phone 130 that is disposed so as to face the reader / writer 120 in the xy plane and that can communicate with the reader / writer 120 that is inductively coupled.
  • the antenna module 1a having the antenna substrate 11 on which 11a is mounted, and a communication processing unit 12 that is driven by a current flowing through the antenna coil 11a and communicates with the reader / writer 120.
  • the antenna substrate 11 is formed by patterning a flexible conductive wire such as a flexible printed circuit board, and a terminal for electrically connecting the antenna coil 11a and the communication processing unit 12. Part 11b is mounted.
  • the antenna coil 11a When the antenna coil 11a receives a magnetic field transmitted from the reader / writer 120, the antenna coil 11a is magnetically coupled to the reader / writer 120 by inductive coupling, receives the modulated electromagnetic wave, and performs communication processing on the received signal via the terminal portion 11b. To the unit 12.
  • the communication processing unit 12 is driven by a current flowing through the antenna coil 11 a and performs communication with the reader / writer 120. Specifically, the communication processing unit 12 demodulates the received modulation signal, decodes the demodulated data, and writes the decoded data in the internal memory of the communication processing unit 12. Further, the communication processing unit 12 reads out data to be transmitted to the reader / writer 120 from the internal memory, encodes the read data, modulates a carrier wave based on the encoded data, and is magnetically coupled by inductive coupling. The modulated radio wave is transmitted to the reader / writer 120 via the coil 11a.
  • the configuration of the antenna module 1a will be described below.
  • the antenna module 1a includes not only the gap 132 between the battery pack 133 and the inner peripheral wall 131a of the housing 131 as described above, but also a conductor disposed inside the housing 131 such as an integrated circuit board and the housing. You may make it provide in the clearance gap with an inner peripheral wall.
  • the antenna module has, as a plate-like conductor for convenience, an end portion 133b of the metal plate 133a facing the reader / writer 120 which is a metal casing of the battery pack 133 as shown in FIG. In the following description, it is assumed that they are arranged between the inner peripheral wall 131a of the casing 131.
  • a metal plate 133a that is a metal housing of the battery pack 133 disposed in the mobile phone 130 is: Since electricity flows relatively well, an eddy current is generated when an AC magnetic field is applied from the outside, and the magnetic field is rebounded. Examining the magnetic field distribution when an AC magnetic field is applied from the outside, the magnetic field at the end 133b of the metal plate 133a of the battery pack 133 facing the reader / writer 120 is strong. Specifically, the magnetic field in the gap 132 where the antenna module 1a is disposed has a large component in the y-axis direction.
  • the antenna module 1a includes a magnetic sheet 13 disposed as shown in FIG. 3 and superimposed on the antenna coil 11a in order to efficiently draw such a magnetic field having a large component in the y-axis direction into the antenna coil 11a.
  • FIG. 3A is a perspective view of the antenna substrate 11 with the magnetic sheet 13 inserted on the xy plane
  • FIG. 3B is an antenna substrate with the magnetic sheet 13 inserted on the xy plane
  • 11 is a cross-sectional view of FIG.
  • the magnetic sheet 13 is positioned closer to the reader / writer 120 than the antenna coil 11a on the upstream side in the direction of travel of the magnetic field oriented by the metal plate 133a facing the reader / writer 120.
  • the magnetic sheet 13 is disposed on the antenna substrate so that the antenna coil 11a is disposed closer to the reader / writer 120 than the magnetic sheet 13 on the downstream side in the traveling direction of the oriented magnetic field.
  • 11 is inserted into a central portion 11c of an antenna coil 11a formed on the antenna 11a.
  • the antenna board 11 As described above, a flexible printed board, a rigid printed board, or the like is used as the antenna board 11. However, by using a flexible printed board in particular, it is possible to easily form a notch in the central portion of the antenna coil 11a. The magnetic sheet 13 can be easily inserted into the cut portion. Thus, it is preferable that the antenna module 1a uses the flexible printed circuit board as the antenna substrate 11 from the viewpoint of easily inserting the magnetic sheet 13 into the antenna substrate 11. Moreover, the said antenna module 1a can be easily manufactured by using a flexible printed circuit board.
  • the antenna module 1a is arranged so that the magnetic sheet 13 is positioned closer to the reader / writer 120 than the antenna coil 11a on the upstream side in the direction of travel of the magnetic field oriented by the metal plate 133a facing the reader / writer 120.
  • the antenna coil 11a is arranged on the reader / writer 120 side of the magnetic sheet 13 on the downstream side in the traveling direction of the oriented magnetic field, so that the magnetic field generated in the gap 132 is efficiently transferred to the antenna coil 11a. Can be pulled in.
  • the antenna module 1a is wound so that the opening of the antenna coil 11a, that is, the central portion 11c is positioned in the gap 132, when the antenna module 1a is incorporated in an electronic device such as the mobile phone 130, Miniaturization can be achieved.
  • the magnetic field generated in the gap 132 can be efficiently drawn into the antenna coil 11a by arranging the magnetic sheet 13 as described above from the end portion 133b of the metal plate 133a. This is because the magnetic field component to the inner peripheral wall 131a efficiently passes through the opening of the antenna coil 11a.
  • the antenna module 1a has the center of the antenna coil 11a as shown in FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B) from the viewpoint of achieving both good communication characteristics as shown in the performance evaluation described later and downsizing.
  • both end portions 13a and 13b of the substantially T-shaped magnetic sheet 13 are positioned closer to the central portion 11c than both end portions 11d and 11e of the antenna coil 11a, respectively.
  • the width W13 of the magnetic sheet 13 is made shorter than the width W11 of the antenna coil 11a in the direction in which the magnetic sheet 13 and the antenna coil 11a are inserted, for example, as shown in FIG. Communication characteristics better than those of the antenna module 2a according to the comparative example can be realized.
  • both end portions 21 d and 21 e of the antenna coil 21 a are both of the magnetic sheet 23 in the y-axis direction inserted into the central portion 21 c of the antenna coil 21 a. They are inserted into the antenna coil 21a so as to be positioned closer to the central portion 21c than the end portions 23a and 23b, respectively. That is, in the antenna module 2a, the width W21 of the antenna coil 21a is shorter than the width W23 of the magnetic sheet 23 in the direction in which the magnetic sheet 23 and the antenna coil 21a are inserted.
  • the communication characteristics when the antenna module 1a, 2a and the reader / writer 120 are opposed to each other and the relative positional relationship in the x-axis direction is changed are evaluated.
  • the concrete evaluation conditions were as follows. As the reader / writer 120, 461C manufactured by Sony Corporation was used. The transmission frequency of the magnetic field is 13.56 MHz. Further, the outer shapes of the antenna coil 11a of the antenna module 1a and the magnetic sheet 23 of the antenna module 2a were fixed to a rectangular shape of 50 mm ⁇ 8.5 mm respectively defined by the xy plane.
  • W11 and W23 are fixed to 8.5 mm, and the width difference between the antenna coil and the magnetic sheet, that is, W11-W13 is changed from 0 mm to 8.5 mm, and W23-W21 is changed from 0 to 3 mm.
  • FIG. 6 shows a change in the communication distance when this is done.
  • the width W13 of the magnetic sheet 13 is made shorter than the width W11 of the antenna coil 11a in the direction in which the magnetic sheet 13 and the antenna coil 11a are inserted. Communication characteristics can be realized. Further, when W11-W13 becomes larger than 4 mm, the communication distance becomes smaller. Therefore, the width W13 of the magnetic sheet 13 is preferably such that the ratio (W13 / W11) to the width W11 of the antenna coil 11a is approximately 1/2 to less than 1.
  • the antenna module 1a can narrow the entire width of the antenna module. That is, the antenna module 1a can make the whole module slimmer while improving the communication characteristics.
  • FIG. 7A shows the adhesive layer 14 laminated on the surface of the antenna substrate 11 so as to substantially coincide with the end portions 13a and 13b of the magnetic sheet 13
  • FIG. 7B shows the antenna coil.
  • the adhesive layer 14 is laminated on the surface of the antenna substrate 11 so as to substantially coincide with the end portions 11d and 11e of the antenna 11.
  • the antenna module 1a can be received by the adhesive layer 14 even if the end of the magnetic sheet 13 is broken and powdered, and as a result, foreign matter is scattered inside the mobile phone 130. Can be prevented.
  • ferrite having a relatively high magnetic property as the magnetic sheet 13 is a sintered member, and is more suitable because it is easily cracked and powdered off by an external force.
  • the adhesive layer 14 is laminated on the surface of the antenna substrate 11 so as to substantially match the width of the antenna coil 11 as shown in FIG. Is particularly preferred.
  • the antenna coil 11a is formed of the flexible antenna substrate 11 or the magnetic sheet 13 has flexibility, satisfying at least one of the conditions makes it easy to insert and the risk of powder falling. Is preferable in that it can be further reduced. Furthermore, it is preferable in that the state of being superposed on each other can be maintained more reliably by following one surface even if the flatness is biased through the adhesive layer 14 described above.
  • the antenna module to which the present invention is applied is not necessarily arranged in the gap 132.
  • a part of the antenna module 1a may be superimposed on the metal plate 133a facing the reader / writer 120.
  • the magnetic field oriented by the metal plate 133a can be efficiently drawn into the antenna coil 11a.
  • the arrangement of the magnetic sheet and the antenna substrate is not limited to the arrangement condition defined by the relationship with the reader / writer described above, and the magnetic sheet is inserted into the central portion of the antenna coil.
  • 1 communication device 1a, 2a antenna module, 11 antenna board, 11a, 21a antenna coil, 11b terminal part, 11c, 21c central part, 11d, 11e, 13a, 13b, 21d, 21e, 23a, 23b end part, 12 communication Processing unit, 13, 23 Magnetic sheet, 14 Adhesive layer, 100 Wireless communication system, 120 Reader / writer, 121 Antenna, 122 Control board, 130 Mobile phone, 131 Housing, 131a Inner wall, 132 Gap, 133 Battery pack, 133a Metal Plate, 133b end

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Abstract

 通信特性を維持しつつ、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化、薄型化を図ることが可能な通信装置を提供する。リーダライタ(120)と誘導結合されるアンテナコイル(11a)が形成されたアンテナ基板(11)と、リーダライタ(120)から発信される磁界を、アンテナコイル(11a)に引き込む磁性シート(13)とを備え、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に差し込まれる方向において、磁性シート(13)の両端部(13a)、(13b)が、アンテナコイル(11a)の両端部(11d)、(11e)よりも中心部分(11c)に位置する。

Description

アンテナ装置、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11月29日に出願された日本特許出願番号特願2011-260640を基礎として優先権を主張するものであり、こ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。
 ところが、携帯電話機などの電子機器に組み込まれたアンテナモジュールは、機器内部の基板やバッテリーパックなどの金属が、リーダライタからの磁界を受けることによって発生する渦電流のために、リーダライタからの磁束が跳ね返されてしまうため、ループコイルに届く磁束が少なくなってしまった。このようにしてループコイルに届く磁束が少なくなってしまうため、アンテナモジュールは、必要な磁束を集めるためにある程度の大きさのループコイルが必要となり、さらに、磁性シートを用いて磁束を増やすことも必要となる。
 上述したように、携帯電話機などの電子機器の基板に流れる渦電流によってリーダライタからの磁束が跳ね返されるが、電子機器の筐体表面には、基板の面方向に向いている磁界の成分があり、この成分を受けることによってアンテナとして機能するというものが特許文献1において提案されている。具体的に、特許文献1では、コイルの占有面積を少なくするため、フェライトコアにコイルを巻いたアンテナ構造が提案されている。
特開2008-35464号公報
 上述したように、携帯電話機などの電子機器は基板などの比較的電気をよく流すものが使われているので、磁界を受けた基板に渦電流が発生することにより、磁界を跳ね返してしまう。例えば、携帯電話機の筐体表面で考えると、リーダライタからくる磁界は、筐体表面の外周部分が強くなり、筐体表面の真ん中付近が弱くなる傾向にある。
 通常のループコイルを用いるアンテナの場合、ループコイルは、その開口部が、上述した筐体表面の外周部分を通過する磁界をあまり受けることができない携帯電話機の中央部分に位置している。このため、通常のループコイルを用いるアンテナでは、磁界を受ける効率が悪くなっている。
 また、特許文献1に記載されたフェライトコアにコイルを巻いて、そのコイルを携帯電話機に組み込んだアンテナ構造では、フェライトコアの断面が磁束を集める面積になるので、フェライトコアの厚みが例えば1mm以上必要になり、携帯電話機の筐体が比較的厚い構造となってしまう。このため、比較的薄型の携帯電話機では、その内部に実装するのが難しい構造である。また、折りたたみ式の携帯電話機に搭載された液晶ディスプレイの裏側に、このアンテナモジュールを組み込む場合には、やはり薄いことが必要となるので、特許文献1に記載のアンテナ構造ではスペースを確保するのが難しい。
 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、通信特性を維持しつつ、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可能な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、発信器と誘導結合されるアンテナコイルが形成されたアンテナ基板と、発信器から発信される磁界を、アンテナコイルに引き込む磁性シートとを備え、磁性シートは、アンテナ基板上に形成されたアンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、差し込まれる方向において、磁性シートの両端が、アンテナコイルの両端よりも中心部分寄りに位置することを特徴とする。
 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、発信器と誘導結合されるアンテナコイルが形成されたアンテナ基板と、発信器から発信される磁界を、アンテナコイルに引き込む磁性シートと、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、磁性シートが、アンテナ基板上に形成されたアンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、発信器と対向する筐体面により配向された磁界の進行方向の上流側では磁性シートがアンテナコイルよりも発信器側に位置する配置条件と、配向された進行方向の下流側ではアンテナコイルが磁性シートよりも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、アンテナコイルと磁性シートとが互いに重畳され、磁性シートは、アンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、磁性シートの両端が、アンテナコイルの両端よりも中心部分に位置することを特徴とする。
 本発明は、磁性シートがアンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、磁性シートの両端が、アンテナコイルの両端よりもアンテナコイルの中心部分寄りに位置することにより、磁束を効率よくアンテナコイルの中心部分に引き込むことで通信特性を維持しつつ、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化、薄型化を図ることができる。
図1は、本発明が適用された通信装置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2は、携帯電話機の筐体内部に配置される通信装置の構成について説明するための図である。 図3(A)は、アンテナモジュールの斜視図であり、図3(B)は、アンテナモジュールの断面図である。 図4(A)及び図4(B)は、本発明が適用されたアンテナモジュールにおいて、磁性シートの両方の端部と、アンテナコイルの両方の端部との位置関係について説明するための図である。 図5は、比較例に係るアンテナモジュールにおいて、磁性シートの両方の端部と、アンテナコイルの両方の端部との位置関係について説明するための図である。 図6は、アンテナコイルと磁性シートとの幅の差を変化させたときの通信特性の変化について説明するための図である。 図7(A)は、磁性シートの幅と略一致するように粘着層をアンテナ基板の表面に積層した図であり、図7(B)は、アンテナコイルの幅と略一致するように粘着層をアンテナ基板11の表面に積層した図である。
 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、本発明が適用された通信装置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。
 アンテナ基板11には、例えばフレキシブルプリント基板などの可撓性の導線をパターンニング処理などを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。
 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、アンテナモジュール1aの構成について説明する。
 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2(A)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、アンテナモジュール1aは、上述した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2(B)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2(B)の断面図で示すように、リーダライタ120に対向する筐体面の具体例として、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。具体的に、アンテナモジュール1aが配置される隙間132の磁界は、y軸方向の成分が大きい。アンテナモジュール1aは、このようなy軸方向に成分が大きい磁界を効率よくアンテナコイル11aに引き込ませるため、図3に示すようにして配置され、アンテナコイル11aに重畳される磁性シート13を備える。
 ここで、図3(A)は、xy平面上において磁性シート13が差し込まれたアンテナ基板11の斜視図であり、図3(B)は、xy平面上において磁性シート13が差し込まれたアンテナ基板11の断面図である。
 図3(B)に示すように、アンテナモジュール1aでは、リーダライタ120に対向する金属板133aにより配向された磁界の進行方向の上流側では磁性シート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、この配向された磁界の進行方向の下流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。
 ここで、アンテナ基板11は、上述したようにフレキシブルプリント基板やリジットプリント基板などが用いられるが、特にフレキシブルプリント基板を用いることで、アンテナコイル11aの中央部に切れ込み部を容易に形成することができ、この切れ込み部に磁性シート13を容易に差し込めることができる。このようにして、アンテナモジュール1aは、容易に磁性シート13をアンテナ基板11に差し込むという観点から、フレキシブルプリント基板を用いてアンテナ基板11とすることが好ましい。また、フレキシブルプリント基板を用いることで、当該アンテナモジュール1aを容易に製造することができる。
 このようにして、アンテナモジュール1aは、リーダライタ120に対向する金属板133aにより配向された磁界の進行方向の上流側では磁性シート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、この配向された磁界の進行方向の下流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ことで、隙間132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。
 さらに、アンテナモジュール1aは、隙間132に、アンテナコイル11aの開口部、すなわち中心部分11cが位置するよう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。
 このようにして、隙間132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のは、上述したようにして磁性シート13を配置することによって、金属板133aの端部133bから筐体131の内周壁131aへの磁界成分が、アンテナコイル11aの開口部を効率よく通過するようになるからである。
 さらに、アンテナモジュール1aは、後述する性能評価に示すような良好な通信特性と、小型化を両立する観点から、図4(A)及び図4(B)に示すように、アンテナコイル11aの中心部分11cに差し込まれるy軸方向において、略T字形状の磁性シート13の両方の端部13a、13bが、それぞれアンテナコイル11aの両方の端部11d、11eよりも中心部分11c寄りに位置するようにして、アンテナコイル11aに差し込まれている。このように、アンテナモジュール1aでは、磁性シート13とアンテナコイル11aとが差し込まれる方向において、磁性シート13の幅W13をアンテナコイル11aの幅W11よりも短くすることで、例えば図5に示すような比較例に係るアンテナモジュール2aよりも良好な通信特性を実現することができる。
 比較例に係るアンテナモジュール2aは、図5に示すように、アンテナコイル21aの中心部分21cに差し込まれるy軸方向において、アンテナコイル21aの両方の端部21d、21eが、磁性シート23の両方の端部23a、23bよりもそれぞれ中心部分21c寄りに位置するようにして、アンテナコイル21aに差し込まれたものである。すなわち、アンテナモジュール2aでは、磁性シート23とアンテナコイル21aとが差し込まれる方向において、アンテナコイル21aの幅W21を磁性シート23の幅W23よりも短くしたものである。
 まず、性能評価としては、アンテナモジュール1a、2aとリーダライタ120とを対向させて、x軸方向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。リーダライタ120には、ソニー社製461Cを用いた。磁界の発信周波数は、13.56MHzである。また、アンテナモジュール1aのアンテナコイル11aと、アンテナモジュール2aの磁性シート23との外形状は、それぞれxy平面で規定される50mm×8.5mmの矩形状に固定した。
 このようにして、W11とW23は、8.5mmに固定し、アンテナコイルと磁性シートとの幅の差、すなわち、W11-W13を0mmから8.5mmまで、W23-W21を0~3mmまで変化させたときの通信距離の変化を図6に示す。
 図6の結果から明らかなように、アンテナモジュール1aでは、磁性シート13とアンテナコイル11aとが差し込まれる方向において、磁性シート13の幅W13をアンテナコイル11aの幅W11よりも短くすることで、良好な通信特性を実現することができる。また、W11-W13は、4mmよりも大きくなると、通信距離が小さくなる。よって、磁性シート13の幅W13は、アンテナコイル11aの幅W11に対する比(W13/W11)が、略1/2~1未満であることが好ましい。
 このようにして、アンテナモジュール1aは、アンテナコイル11aに対して磁性シート13の幅を狭くすると、アンテナモジュール全体幅を狭くすることができる。すなわち、アンテナモジュール1aは、通信特性の向上を図りつつ、モジュール全体をよりスリムにすることができる。
 さらに、アンテナモジュール1aは、磁性シート13とアンテナコイル11aとを、図7に示すように、アンテナ基板11及び磁性シート13の少なくとも一方の表面に積層した粘着層14を介して、互いに重畳された状態が維持することが好ましい。ここで、図7(A)は、磁性シート13の端部13a、13bと略一致するように粘着層14をアンテナ基板11の表面に積層したものであり、図7(B)は、アンテナコイル11の端部11d、11eと略一致するように粘着層14をアンテナ基板11の表面に積層したものである。
 このようにすることで、アンテナモジュール1aは、磁性シート13の端部が割れて粉落ちしても、粘着層14で受け止めることができ、結果として、携帯電話機130内部に異物が飛散することを防止することができる。特に磁性シート13として、磁気特性が比較的高いフェライトは、焼結部材であり、外力により割れやすく粉落ちし易いため、より適している。さらに、磁性シート13の粉落ちを効率よく防止する観点から、図7(B)に示すような、アンテナコイル11の幅と略一致するように粘着層14をアンテナ基板11の表面に積層することが特に好ましい。
 また、アンテナコイル11aが可撓性を有するアンテナ基板11によって形成されるか、また、磁性シート13が柔軟性を有するかのうち、少なくとも一方の条件を満たすことで、差し込み易いことによって粉落ちリスクをより低減することができる点で好ましい。さらに、上述した粘着層14を介して、平面度が偏っていても一方の表面に追従することで、より確実に互いに重畳された状態が維持することができる点で好ましい。
 なお、本発明が適用されたアンテナモジュールは、必ずしも隙間132に配置していなくてもよく、例えばアンテナモジュール1aの一部が、リーダライタ120に対向する金属板133aに重畳してもよく、金属板133aの外周部に配置されることで、金属板133aにより配向された磁界を効率よくアンテナコイル11aに引き込むことができる。さらに、本発明が適用されたアンテナモジュールは、磁性シートとアンテナ基板との配置が、上述したリーダライタとの関係で規定される配置条件に限定されず、磁性シートがアンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、磁性シートの両端が、アンテナコイルの両端よりもアンテナコイルの中心部分寄りに位置するという構成を採用することで、磁束を効率よくアンテナコイルの中心部分に引き込むことで通信特性を維持しつつ、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化、薄型化を図ることができる。
1 通信装置、1a、2a アンテナモジュール、11 アンテナ基板、11a、21a アンテナコイル、11b 端子部、11c、21c 中心部分、11d、11e、13a、13b、21d、21e、23a、23b 端部、12 通信処理部、13、23 磁性シート、14 粘着層、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 携帯電話機、131 筐体、131a 内周壁、132 隙間、133 バッテリパック、133a 金属板、133b 端部

Claims (8)

  1.  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、
     上記発信器と誘導結合されるアンテナコイルが形成されたアンテナ基板と、
     上記発信器から発信される磁界を、上記アンテナコイルに引き込む磁性シートとを備え、
     上記磁性シートは、上記アンテナ基板上に形成されたアンテナコイルの中心部分に差し込まれ、該差し込まれる方向において、該磁性シートの両端が、該アンテナコイルの両端よりも該中心部分寄りに位置することを特徴とするアンテナ装置。
  2.  上記磁性シートが、上記アンテナ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により配向された磁界の進行方向の上流側では上記磁性シートが上記アンテナコイルよりも該発信器側に位置する配置条件と、該配向された進行方向の下流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1記載のアンテナ装置。
  3.  上記磁性シートが上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、該磁性シートの幅の、該アンテナコイルの幅に対する比が、略1/2~1未満である請求項1記載のアンテナ装置。
  4.  上記磁性シートと上記アンテナコイルとは、粘着層を介して、互いに重畳された状態が維持されることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
  5.  上記アンテナコイルが可撓性を有するアンテナ基板によって形成される条件、及び、上記磁性シートが柔軟性を有するものである条件のうち、少なくとも一方の条件を満たしていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
  6.  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、
     上記発信器と誘導結合されるアンテナコイルが形成されたアンテナ基板と、
     上記発信器から発信される磁界を、上記アンテナコイルに引き込む磁性シートと、
     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、
     上記磁性シートが、上記アンテナ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により配向された磁界の進行方向の上流側では上記磁性シートが上記アンテナコイルよりも該発信器側に位置する配置条件と、該配向された進行方向の下流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、
     上記磁性シートは、上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれる方向において、該磁性シートの両端が、該アンテナコイルの両端よりも該中心部分寄りに位置することを特徴とする通信装置。
  7.  上記アンテナコイルは、上記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該筐体の内周壁との隙間に該アンテナコイルの開口部が位置するように、巻回されることを特徴とする請求項6記載の通信装置。
  8.  上記アンテナ基板と磁性シートとは、上記発信器と対向する筐体面の外周部に配置されることを特徴とする請求項6記載の通信装置。
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