WO2014125927A1 - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

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Abstract

 アンテナ装置(101)は金属板(面導体)(2)とアンテナコイル(3)を備えている。アンテナコイル(3)の主要部は絶縁性の基材(33)と、この基材(33)に形成されたコイル導体(31)とで構成されている。金属板(2)は、第1の導体開口部(21)および第2の導体開口部(22)を有している。第2の導体開口部(22)は第1の導体開口部(21)につながり、且つ金属板(2)の外縁とはつながらない。このようにして、コイル導体と、このコイル導体のコイル開口に対向する面導体とを備えるアンテナ装置において、面導体による電磁界遮蔽の問題を解消する。

Description

アンテナ装置および電子機器
 本発明は、RFIDシステムや近距離無線通信システム等に用いられるアンテナ装置およびそれを備えた電子機器に関するものである。
 RFID用のカードリーダ/ライタに用いられるアンテナ装置が例えば特許文献1に開示されている。
 一般に、コイルアンテナが金属板に近接すると、その金属板に渦電流が発生し、この渦電流の影響でコイルアンテナの特性が劣化するので、特許文献1に示されているように、コイルアンテナと金属板との間に磁性体シートを挟み込む構造が採られる。
特開2002-298095号公報
 特許文献1に示されているアンテナ装置においては、磁性体がコイルアンテナの磁界を遮蔽するので、金属板に生じる渦電流が抑制される。そのため、コイルアンテナが配置されている側(方向)に通信相手のアンテナが配置されている状態で通信が可能になる。
 しかし、磁性体および金属板はコイルアンテナの磁界を遮蔽するので、金属板側に通信相手のアンテナが配置されているような状態では通信はできない。
 本発明の目的は、ループ状または渦巻き状のコイル導体と、このコイル導体のコイル開口に対向する位置に配置され、面状に広がる面導体とを備えるアンテナ装置において、コイル導体が形成されている側と、面導体側の両側で通信可能なアンテナ装置およびそれを備えた電子機器を提供することにある。
 本発明のアンテナ装置は、ループ状または渦巻き状のコイル導体と、このコイル導体のコイル開口部に対向する位置に配置され、面状に広がる面導体とを備え、
 前記面導体は、第1の導体開口部および第2の導体開口部を有し、前記コイル導体の平面視で、前記コイル開口部は前記第1の導体開口部に重なっていて、前記第2の導体開口部は、前記第1の導体開口部につながり、且つ前記面導体の外縁とはつながらないことを特徴とする。この構造により、コイル導体が形成されている側と、面状に広がる導体側のいずれの側でも通信が可能となる。
 前記第1の導体開口部および第2の導体開口部は一つの平面上に形成されていることが好ましい。この構造により、単純な平面状導体をブースターアンテナとして利用できる。
 前記コイル導体によって導体に誘導される電流が、その最大値から50%以下の値となる位置まで前記第2の導体開口部の端部が延びていることが好ましい。この構造により、第2の導体開口部の端部を迂回する(ショートカットする)電流による磁界の打ち消しが抑制でき、面状に広がる導体をブースターアンテナとして利用できる。
 前記面導体は回路基板に形成されたグランド導体であることが好ましい。この構造により、ブースターアンテナとして作用させる、面状に広がる導体を特別に設ける必要がない。
 前記面導体は前記コイル導体を収納する金属筐体の全部またはその一部であることが好ましい。この構造により、ブースターアンテナとして作用させる、面状に広がる導体を特別に設ける必要がない。
 本発明の電子機器は、上記構成のアンテナ装置を有する電子機器であって、前記コイル導体に接続された通信回路を備えることを特徴とする。
 本発明によれば、面状に広がる導体を備えていながらも、その導体による影響が抑制され、コイル導体が形成されている側と、面状に広がる導体側のいずれの側でも通信が可能となる。
図1は第1の実施形態に係るアンテナ装置101の分解斜視図である。 図2(A)~(C)は、コイル導体31に流れる電流および金属板2に流れる電流について示す図である。 図3は金属板2に形成された第1の導体開口部21および第2の導体開口部22の縁に沿った3つの位置を示す図である。 図4(A)、図4(B)はアンテナ装置のシミュレーションモデルの平面図である。 図5はシミュレーションモデルでの第2の導体開口部22の長さに対する、対象のアンテナ装置と通信相手側アンテナとの結合係数の関係を示す図である。 図6はシミュレーションモデルでの第2の導体開口部22の長さに対する、第2の導体開口部22先端位置(ショート位置)での電流量の関係を示す図である。 図7(A)(B)(C)は第2の実施形態に係る3つのアンテナ装置が備える金属板の平面図である。 図8(A)は第3の実施形態に係るアンテナ装置の平面図である。図8(B)はそのアンテナ装置が備える金属板2の平面図である。 図9は第3の実施形態に係る別のアンテナ装置の平面図である。 図10(A)~(F)の各図は第4の実施形態に係るアンテナ装置が備える金属板の平面図である。 図11は第5の実施形態に係る電子機器301の筐体内部の構造を示す図であり、第1筐体91と第2筐体92とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。 図12は第6の実施形態に係る電子機器が備える筐体の一部を示す斜視図である。 図13(A)、図13(B)は第7の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。 図14(A)、図14(B)は第8の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。 図15(A)、図15(B)は第9の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。 図16(A)、図16(B)は第10の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。
《第1の実施形態》
 図1は第1の実施形態に係るアンテナ装置101の分解斜視図である。このアンテナ装置101は金属板2とアンテナコイル3を備えている。アンテナコイル3の主要部は絶縁性の基材33と、この基材33に形成されたコイル導体31とで構成されている。金属板2は本発明に係る「面導体」に相当し、第1の導体開口部21および第2の導体開口部22を有している。
 図1において、コイル導体31のコイル開口部CWと金属板2とは対向する位関係に配置し、アンテナコイルと金属板とが磁界結合するように近接配置する。
 図1に示す例では、第1の導体開口部21はコイル導体31の形状およびコイル開口部CWの形状と同様に矩形であり、この第1の導体開口部21はコイル開口部CWと平面視で重なるように配置されている。第2の導体開口部22は第1の導体開口部21につながり、且つ金属板2の外縁とはつながっていない。すなわち、第1の導体開口部21と第2の導体開口部22とは連続していて、且つそれらは金属板2の外縁に接することなく閉じている。なお図1では矩形で示しているが、必ずしも矩形である必要はなく、周辺部品との不要結合軽減やアンテナ実装スペースの有効活用などの用途に応じて形状は変更することが可能である。
 図2(A)、図2(B)、図2(C)は、コイル導体31に流れる電流および金属板2に流れる電流について示す図である。図2(A)(B)(C)のそれぞれは、金属板2に形成されている第2の導体開口部22の長さが異なる。
 図2(A)(B)(C)の各図において、コイル導体31に電流I0が流れると、コイル導体31と金属板2とは電磁界を介して結合することにより、金属板2に電流が誘導される。すなわち、主に第1の導体開口部21の縁に沿って電流I1が流れ、この電流は第2の導体開口部(スリット)22の縁に沿って流れる電流と、第1の導体開口部21の周囲および金属板2の外縁に沿って流れる電流とに分流する。すなわち、第2の導体開口部(スリット)22の縁に沿って電流I3が流れ、第1の導体開口部21の周囲および金属板2の外縁に沿って電流I2が流れる。この電流I2について、図2(A)(B)(C)においては、図示の簡単化のために1つの線で表している。
 図2(A)(B)(C)において、電流I1,I2,I3の強度を線の太さで表している。図2(A)に示すように、第2の導体開口部22が短いと、第2の導体開口部22の縁に沿って流れる電流I3の強度は高く、それに伴って、電流I2の強度は低い。第2の導体開口部22の長さを長くすると、図2(B)(C)に示すように、第2の導体開口部22の縁に沿って流れる電流I3の強度は低くなり、それに伴って、電流I2の強度は高くなる。
 上記電流I2は、コイル導体31に流れる電流I0の向きと同方向であるので、金属板2に電流I2が流れることは、金属板2による電磁界遮蔽作用が抑制されることを意味する。そして、第1の導体開口部21の縁に沿って流れる電流I1で生じる電磁界に比べて、電流I2によって生じる電磁界が大きければ、金属板2はブースターアンテナとして作用する。上記電流I2の経路は電流I1の経路より大きく広がるので、電流I2による電磁界放射効果は電流I1による電磁界放射効果より大きい。一般的には上記電流I1の半分が電流I2として流れれば、ブースターアンテナとしての効果があるので、結局、第1の導体開口部21の周囲および金属板2の外縁に沿って流れる電流I2が、第2の導体開口部22の縁に沿って流れる電流I3より大きければ、金属板2はブースターアンテナとして作用する。
 したがって、第2の導体開口部22の長さは短くても金属板2による電磁界遮蔽作用の抑制効果はあるが、電流I2が電流I3より大きくなる程度に、第2の導体開口部22が長いことが好ましい。
 図3は金属板2に形成された第1の導体開口部21および第2の導体開口部22の縁に沿った3つの位置を示す図である。ここで第2の導体開口部22の付け根(1)(3)に流れる電流量を100%としたとき、図2(A)(B)(C)に示した電流I3が流れる経路における中間点付近(図3においては第2の導体開口部22の先端付近)(2)の電流量が50%以下になるように第2の導体開口部22を形成することが好ましい。
 図4(A)、図4(B)はアンテナ装置のシミュレーションモデルの平面図である。図4(A)はアンテナ装置全体の平面図、図4(B)はコイル導体配置位置部分の拡大平面図である。金属板2は150mm×150mm、コイル導体31の寸法、第1、第2の導体開口部21,22の寸法は図4(B)に示すとおりである。また、通信相手側のアンテナは54mm×86mmの平面コイル形状であって、図4(A)に示したアンテナ装置の中心と通信相手側アンテナの中心とを合わせ、Z軸上で20mm離して対面配置した。
 図5は上記シミュレーションモデルでの第2の導体開口部22の長さに対する、対象のアンテナ装置と通信相手側アンテナとの結合係数の関係を示す図である。図5の横軸は第2の導体開口部22の付け根から先端位置(ショート位置)までの長さ、縦軸は結合係数である。この図5に表れているように、第2の導体開口部22のショート位置が大きくなるほど(第2の導体開口部22が長くなるほど)、結合係数は大きくなる。因みに、金属板2が存在しない場合の結合係数は約2%である。そのため、第2の導体開口部22のショート位置が100mm以上になると、金属板2を設けることによるブースター効果が生じる。
 図6は上記シミュレーションモデルでの第2の導体開口部22の長さに対する、第2の導体開口部22先端位置(ショート位置)での電流量の関係を示す図である。図6の横軸は第2の導体開口部22の付け根から先端位置(ショート位置)までの長さ、縦軸は、第2の導体開口部22の付け根(図3に示した(1)(3)の位置)に流れる電流量を100%としたときの先端位置付近での電流量である。この図6に表れているように、第2の導体開口部22のショート位置が大きくなるほど(第2の導体開口部22が長くなるほど)、第2の導体開口部22のショート位置付近での電流量が低下する。この割合が50%以下になると、(第2の導体開口部22のショート位置が100mm以上になると)金属板2を設けることによるブースター効果が生じる。
《第2の実施形態》
 図7(A)(B)(C)は第2の実施形態に係る3つのアンテナ装置が備える金属板の平面図である。第1の実施形態では、矩形の第1の導体開口部21から単純なスリット状の第2の導体開口部22が突出した例を示したが、第2の導体開口部22の形状は単純なスリット状に限らない。図7(A)に示すように、第1の導体開口部21から延び出たスリットが途中で分岐したT字形状であってもよい。また、図7(B)に示すように、第1の導体開口部21から延び出たスリットが先端で幅広になっていてもよい。また、図7(C)に示すように、第1の導体開口部21から延び出たスリットが先太りのテーパー状であってもよい。
 図7(A)(B)(C)に示したいずれの金属板を備えるアンテナ装置においても、第2の導体開口部22の付け根から先端方向へ流れる電流は電流I2と電流I3とへ分流するが、第2の導体開口部22の先端はX軸方向に広がっているので、電流I2が誘導されやすくなる。そのため、第1の導体開口部21からの第2の導体開口部22の突出量が小さくても、第2の導体開口部22のショート位置付近の電流量を小さくでき、通信相手側アンテナとの結合係数を高めることができる。
《第3の実施形態》
 図8(A)は第3の実施形態に係るアンテナ装置の平面図である。図8(B)はそのアンテナ装置が備える金属板2の平面図である。図8(A)に示すように、コイル導体31は第1の導体開口部21の3辺に沿うように配置されている。第2の導体開口部22の幅(図における左右幅)は第1の導体開口部21の幅より大きい。
 図8(B)に示すように、第1の導体開口部21の縁に沿って流れる電流は第2の導体開口部の付け根(1)(3)で分流し、第1の導体開口部21の周囲および金属板2の外縁に沿って電流I2が流れ、第2の導体開口部22の縁に沿って流れる電流I3が流れる。第2の導体開口部の付け根(1)(3)の間隔は広く、この間の静電容量は小さいので、この間に流れようとする変位電流I4は小さい。その結果、電流I2の電流量が増大し、ブースター効果が得られる。
 図8(A)に示したアンテナ装置では、第2の導体開口部22の幅が第1の導体開口部の幅より大きい例を示したが、図9に示すように、第1の導体開口部21と第2の導体開口部22の幅は等しくてもよい。この場合、平面視でコイル導体31で囲まれる領域が第1の導体開口部21であり、残りが第2の導体開口部22である。第2の導体開口部22の付け根は図中の(1)(3)で示す位置である。
《第4の実施形態》
 図10(A)~(F)の各図は第4の実施形態に係るアンテナ装置が備える金属板の平面図である。いずれの例でも金属板2に第1の導体開口部21および第2の導体開口部22が形成されている。これまでに示した実施形態では、第1の導体開口部21に1つの第2の導体開口部22が形成された例を示したが、図10(A)(B)(C)に示すように、第2の導体開口部22は複数であってもよい。図10(A)の例では、2つの第2の導体開口部22A,22Bが形成されていて、図10(B)の例では、3つの第2の導体開口部22A,22B,22Cが形成されていて、図10(C)の例では、4つの第2の導体開口部22A,22B,22C,22Dが形成されている。
 また、複数の第2の導体開口部を備える場合に、隣接する第2の導体開口部の交差角は90度または180度に限らない。例えば、図10(D)に示すように、2つの第2の導体開口部22Bに対して22Aが斜めに延出していてもよい。また、図10(E)に示すように、2つの第2の導体開口部22A,22Bが同方向に延出していてもよい。また、第2の導体開口部は、その全体または一部が曲線状であってもよい。
 また、複数の第2の導体開口部を備える場合に、図10(F)に示すように、互いに幅の異なる第2の導体開口部22A,22Bが形成されていてもよい。
《第5の実施形態》
 図11は第5の実施形態に係る電子機器301の筐体内部の構造を示す図であり、第1筐体91と第2筐体92とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。この電子機器301は、例えば携帯電話端末やタブレットPC等であり、各実施形態で示した構造のアンテナ装置101と、アンテナコイルを内蔵したモジュール201を備えたものである。このモジュールはHF帯のRFID用モジュールであり、例えばNFC(Near Field Communication) の通信を行う。すなわちアンテナ装置はHF帯のアンテナとして利用される。
 第1筐体91の内部にはプリント配線板71,81、バッテリーパック83等が収められている。プリント配線板71にはアンテナコイル内蔵モジュール201が実装されている。このプリント配線板71にはUHF帯アンテナ72、カメラモジュール76等も搭載されている。また、プリント配線板81にはUHF帯アンテナ82等が搭載されている。プリント配線板71とプリント配線板81とは同軸ケーブル84を介して接続されている。
 第2筐体92の内面にはアンテナ装置101が配置されている。アンテナ装置101の金属板2に形成されている第1の導体開口部21はカメラモジュール76に対応する位置にあり、第1の導体開口部21はカメラレンズ位置の窓でもある。このアンテナ装置101は給電用のアンテナコイルを内蔵するモジュール201のアンテナコイル(給電コイル)と磁界結合する。
 上記金属板2は樹脂製の筐体とともに一体化されていてもよい。また、金属筐体の全体または一部が金属板を兼ねていてもよい。
 なお、プリント配線板に形成したグランド導体に第1の導体開口部および第2の導体開口部を形成し、第1の導体開口部にコイル導体を近接させて、アンテナ装置を構成してもよい。
《第6の実施形態》
 図12は第6の実施形態に係る電子機器が備える筐体の一部を示す斜視図である。この電子機器は例えば携帯電話端末やタブレットPC等である。図12に示す筐体は、表示パネルが設けられる面とは反対側の面の筐体であり、金属板の成型品である。このような金属製の筐体には例えばカメラレンズの窓を第1の導体開口部21として用いることができる。また、イヤホンジャック、カードスロット、押しボタン等のための透孔23を第1の導体開口部および第2の導体開口部として利用してもよい。
《第7の実施形態》
 図13(A)、図13(B)は第7の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。図13(A)は、PCのモニター(ディスプレイ)にアンテナ装置を構成した例、図13(B)は、PCのキーボードにアンテナ装置を構成した例である。
 図13(A)に示す例では、PCのモニター(ディスプレイ)の金属フレーム2Fを「面状導体」として利用し、金属フレーム2Fの1つのコーナー部21Dを第1の導体開口部として利用し、表示部22Dを第2の導体開口部として利用している。すなわち金属フレームのコーナー部21Dにアンテナコイル3を配置することにより、金属フレーム2Fをブースターアンテナとして作用させている。
 図13(B)に示す例では、PCのキーボードの金属フレーム2Fを「面状導体」として利用し、金属フレーム2Fのタッチパッド部21Tを第1の導体開口部として利用し、キーボード部22Kを第2の導体開口部として利用している。すなわちタッチパッド21T部にアンテナコイル3を配置することにより、金属フレーム2Fをブースターアンテナとして作用させている。
《第8の実施形態》
 図14(A)、図14(B)は第8の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。
 図14(A)は、キーボードの正面図、図14(B)はその右側面図である。
 キーボードはキーボード部5Kおよびタッチパッド部5Tを備えている。本実施形態では、キーボードの金属フレーム2Fの正面の一部に第1の導体開口部21が形成されていて、側面の一部に第2の導体開口部22が形成されている。そして、金属フレーム21の第1の導体開口部21の周囲にアンテナコイル3のコイル導体31が配置されている。
 第1の導体開口部21の幅(図14(A)(B)におけるY軸方向の開口幅)は第2の導体開口部22の幅より大きい。
 このようにして、キーボードの金属フレーム2Fに第1の導体開口部21および第2の導体開口部22を形成することでも(既存の導体開口部を利用せず、専用の導体開口部を形成することによっても)、金属フレーム2Fを「面状導体」として利用してブースターアンテナとして作用させることができる。
《第9の実施形態》
 図15(A)、図15(B)は第9の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。
 図15(A)は、キーボードの正面図、図15(B)はその右側面図である。
 図14(A)(B)に示した例とは異なり、本実施形態では、第1の導体開口部21の幅(図15(A)(B)におけるY軸方向の開口幅)は第2の導体開口部22の幅と等しい。また、第1の導体開口部21は金属フレーム2Fの端辺より内部方向に細長い形状である。それに伴い、コイル導体31の形成範囲も細長い。その他の構成は第8の実施形態で示した構成と同じである。
 このように、第1の導体開口部21の幅と第2の導体開口部22の幅とが等しくても、金属フレーム2Fを「面状導体」として利用してブースターアンテナとして作用させることができる。
《第10の実施形態》
 図16(A)、図16(B)は第10の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。
 図16(A)は、キーボードの正面図、図16(B)はその右側面図である。本実施形態では、金属フレーム2Fのスペースキー(幅広ボタン)21Kの導体開口部を第1の導体開口部として利用し、タッチパッド部22Tの導体開口部を第2の導体開口部として利用する。アンテナコイル3のコイル導体31はスペースキー21Kの導体開口部の周囲に形成されている。
 このように、タッチパッド部22Tの導体開口部を第2の導体開口部として利用してもよい。また、この例で示すように、第2の導体開口部の幅(タッチパッド部22TのX軸方向の幅)は第1の導体開口部の幅(スペースキー21KのX軸方向の幅)より大きくてもよい。
《他の実施形態》
 第7~第10の実施形態で示したように、第1の導体開口部および第2の導体開口部の一方または両方が既存の導体開口部を利用したものであってもよいし、両方が専用に設けた導体開口部であってもよい。
 以上に示した例では、HF帯のRFIDについて示したが、本発明はHF帯だけではなく、例えば無線LAN等で利用されるUHF帯のシステムなどについても同様に適用できる。
 以上に示した例では渦巻状のコイル導体を備えた例を示したが、コイル導体は必要に応じて1ターンのループ状であってもよいし、コイル導体を積層した構造であってもよい。また、コイル導体の平面形状は矩形に限らず、第1の導体開口部に電磁界結合する形状であればよい。
CW…コイル開口部
2…金属板
2F…金属フレーム
3…アンテナコイル
5K,22K…キーボード部
5T,21T,22T…タッチパッド部
21…第1の導体開口部
21D…コーナー部
21K…スペースキー
22…第2の導体開口部
22A,22B,22C,22D…第2の導体開口部
22D…表示部
23…透孔
31…コイル導体
33…基材
71,81…プリント配線板
72…UHF帯アンテナ
76…カメラモジュール
81…プリント配線板
82…UHF帯アンテナ
83…バッテリーパック
84…同軸ケーブル
91…第1筐体
92…第2筐体
101…アンテナ装置
201…アンテナコイル内蔵モジュール
301…電子機器

Claims (6)

  1.  ループ状または渦巻き状のコイル導体と、このコイル導体のコイル開口部に対向する位置に配置され、面状に広がる面導体とを備えるアンテナ装置において、
     前記面導体は、第1の導体開口部および第2の導体開口部を有し、
     前記コイル導体の平面視で、前記コイル開口部は前記第1の導体開口部に重なっていて、
     前記第2の導体開口部は、前記第1の導体開口部につながり、且つ前記面導体の外縁とはつながらない、
    ことを特徴とするアンテナ装置。
  2.  前記第1の導体開口部および第2の導体開口部は一つの平面上に形成されている、請求項1に記載のアンテナ装置。
  3.  前記コイル導体によって導体に誘導される電流が、その最大値から50%以下の値となる位置まで前記第2の導体開口部の端部が延びている、請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4.  前記面導体は回路基板に形成されたグランド導体である、請求項1~3のいずれかに記載のアンテナ装置。
  5.  前記面導体は前記コイル導体を収納する金属筐体の全部またはその一部である、請求項1~3のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6.  請求項1~5のいずれかに記載のアンテナ装置を有する電子機器であって、前記コイル導体に接続された通信回路を備えた電子機器。
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