WO2015025833A1

WO2015025833A1 - アンテナ装置及び通信装置

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Publication number: WO2015025833A1
Application number: PCT/JP2014/071613
Authority: WO
Inventors: 折原　勝久; 鈴木　学
Original assignee: デクセリアルズ株式会社
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2015-02-26
Also published as: CN105493346A; JP2015041888A; JP6122362B2; TW201513458A; US20160204500A1

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、薄型化をはかることが可能なアンテナ装置、及び、通信装置を提供する。電子機器に組み込まれ、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装置であり、アンテナ基板（１１）と、アンテナ基板（１１）の一方の面に周回するように形成されたアンテナコイル（１１ａ）と、アンテナコイル（１１ａ）の中心部分に差し込まれてリーダライタ（１２０）からの磁界を引き込む磁性シート（１３）と、アンテナ基板（１１）の他方の面に、磁性シート（１３）が差し込まれた位置を回避する位置に形成された回路搭載共有領域（２０）に搭載され、外部回路に接続される回路部とを備える。そして、アンテナコイル（１１ａ）の巻き線の少なくとも一部が、回路部を構成する回路要素の少なくとも一部を取り囲むことを特徴とする。

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２０１３年８月２２日に出願された日本特許出願番号特願２０１３－１７１９５１を基礎として優先権を主張するものであり、これらの出願を参照することにより、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て、電力に変換することによって、通信処理部として機能するＩＣを駆動する。

　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、そのループ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パックなどの金属が、リーダライタからの磁界を受け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る。ループコイルに到達する磁束が少なくなるため、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開口の大きさを有するループコイルが必要となり、さらに、磁性シートを用いることによって開口部に集める磁束を増やすことが必要となる。

　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

　上述のようなアンテナモジュールは、送受信を行う通信処理部と電気的に接続されてリーダライタや非接触ＩＣカード等の電子機器と通信を行う。送受信される信号は、高周波を変調するため、送受信効率や結合係数等の通信特性を確保するためには、通信処理部の入出力インピーダンスと、アンテナモジュールの入出力インピーダンスとを整合させる必要がある。また、アンテナモジュールを搭載する装置の小型化のために、通信処理部とインピーダンス整合を行う整合回路をアンテナモジュールに搭載する場合がある。上述したように、磁性シートをアンテナコイルに付加することによって、アンテナの通信特性を向上させることができるが、磁性シートを配設した領域には、回路を配置することができなくなるため、アンテナモジュールに整合回路等を搭載するためにはアンテナコイルが形成されたアンテナ基板の面積を増加させる必要がある。また、回路配置のためのスペースをアンテナ基板上に設けると、アンテナの実効的な開口面積が減少してしまい、通信特性が低下してしまうとの問題がある。

　そこで、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、薄型化をはかることが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であり、基板と、基板の一方の面に周回するように形成されたアンテナコイルと、アンテナコイルの中心部分に差し込まれて発信器からの磁界を引き込む磁性シートと、基板の他方の面に、磁性シートが差し込まれた位置を回避する位置に形成され、外部回路に接続され、１つ以上の回路要素を含む回路部とを備える。そして、アンテナコイルの巻き線の少なくとも一部が、回路部を取り囲むことを特徴とする。

　また、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通信装置であり、基板と、基板の一方の面に、周回するように形成されたアンテナコイルと、アンテナコイルの中心部分に差し込まれて発信器からの磁界を引き込む磁性シートと、基板の他方の面に、磁性シートが差し込まれた位置を回避する位置に形成され、外部回路に接続され、１つ以上の回路要素を含む回路部とを有するアンテナ装置を備える。そして、アンテナ装置は、アンテナコイルの巻き線の少なくとも一部が、回路部を取り囲むことを特徴とする。

　本発明は、回路部が基板の他方の面に形成され、ループアンテナの巻線の少なくとも一部が回路部の回路要素の少なくとも一部を取り囲むので、ループアンテナの開口面積を減少させることなく、回路部を搭載することができ、アンテナ装置及び通信装置の小型化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装置及び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、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。図２Ａは、平面図であり、図２Ｂは、底面図であり、図２Ｃは、図２Ａ図のＡＡ’線からの断面図である。図３は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の構成の変形例を示す図である。図３Ａは、平面図であり、図３Ｂは、底面図である。図４は、本発明が適用されたアンテナ装置の一例の回路図である。図５Ａは、アンテナ装置の実施例の形状寸法を示す平面図であり、図５Ｂは、比較例として従来のアンテナ装置の形状寸法を示す平面図であり、図５Ｃは、参考例のアンテナ装置の形状寸法を示す平面図である。図６Ａは、アンテナ装置の実施例、比較例及び参考例それぞれとリーダライタとの通信特性を測定するための測定系を示す斜視図である。図６Ｂは、オフセット距離ａの定義を説明するための図である。図７は、アンテナ装置とリーダライタとの通信特性として、それぞれのアンテナコイルの結合係数を測定し、オフセット距離ａに対してプロットしたグラフである。

　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、以下の実施の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もちろんである。

　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、たとえば、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に非接触でアクセスするリーダライタ１２０とを備える。ここで、通信装置１とリーダライタ１２０とは、３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軸の正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る通信装置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を有している。この制御基板１２２には、１つ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。たとえば、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（たとえば、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、たとえば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（振幅シフトキーイング、Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。

　通信装置１は、たとえばリーダライタ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２を備える。

　アンテナモジュール２のアンテナ基板１１の一面には、たとえばポリイミド等の可撓性のある基板にＣｕやＡｌの配線を印刷技術を用いてパターニング処理等することによってアンテナコイル１１ａが形成される。アンテナ基板１１の他面には、アンテナコイル１１ａとアンテナモジュール２の外部の通信処理部３０とのインピーダンスを整合させて電気的に接続する整合回路２８等を搭載する回路搭載共有領域２０が形成されている。アンテナコイル１１ａと回路搭載共有領域２０に実装された整合回路２８等とは、ヴィアホール等の周知の技術を用いて電気的に接続される。そして、アンテナモジュール２は、携帯電話機１３０の本体側に実装された通信処理部３０にコネクタ等を介して電気的に接続される。

　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のアンテナ１２１と誘導結合すること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、受信信号を、整合回路２８等を介して携帯電話機１３０本体側に実装された通信処理部３０に供給する。通信処理部３０は、アンテナコイル１１ａに流れる電流により駆動され、リーダライタ１２０との間で通信を行う。より具体的には、通信処理部３０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、通信処理部３０の指示に基づいて内部メモリに書き込む。また、通信処理部３０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。

　アンテナモジュール２は、図２Ａに示すように、アンテナ基板１１と、アンテナ基板１１の一方の面に形成されたアンテナコイル１１ａとを備える。アンテナ基板１１は、好ましくはフレキシブルプリント基板であり、長辺と短辺とを有する長方形の形状を有する。アンテナコイル１１ａは、アンテナ基板１１上を周回するように形成されたループアンテナであり、好ましくは、フレキシブルプリント基板上に形成された配線パターンにより形成される。また、アンテナコイル１１ａは、アンテナ基板１１の外縁から巻回し始めて、所定のターン数だけアンテナ基板１１の内側に向かって巻回される。アンテナコイル１１ａのほぼ中央部には、アンテナ基板１１の長辺に沿った方向にスリット１４が開口されている。そして、リーダライタ１２０からの磁束を集めてアンテナコイル１１ａに導く磁性シート１３が、スリット１４に挿入される。なお、後述するように、アンテナ基板１１の他方の面に、アンテナコイル１１ａと、通信処理部３０とをインピーダンス整合をとりながら接続させる整合回路２８等が搭載される回路搭載共有領域２０が形成されるので、スリット１４の形成位置は、回路搭載共有領域２０に隣接するアンテナコイル占有領域１０内に形成される。

　アンテナモジュール２は図２Ｂに示すように、アンテナ基板１１の他方の面に、アンテナコイル１１ａと、携帯電話機１３０の本体側に設置される送受信のための通信処理部３０とインピーダンス整合をとって電気的な接続をする整合回路２８等を搭載することができる回路搭載共有領域２０を有する。回路搭載共有領域２０は、好ましくはアンテナ基板１１の一方の短辺側に配置される。

　回路搭載共有領域２０には、アンテナコイル１１ａのインダクタンスと、共振コンデンサとにより共振回路を構成する場合のＱ（Quality factor）値を設定するための制限抵抗２１ａ，２１ｂと、通信処理部３０とのインピーダンス整合をとるための整合回路２８を構成するマッチングコンデンサ２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂと、通信処理部３０からの方形波信号をフィルタリングするローパスフィルタ２９を構成するフィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂ及びフィルタコイル２５ａ，２５ｂとを搭載している。さらに、回路搭載共有領域２０は、ローパスフィルタ２９、整合回路２８等を介して通信処理部３０に接続するための端子２６ａ，２６ｂとグランド端子２７とを有する。

　図２Ｃに示すように、磁性シート１３が挿入されているアンテナ基板１１のアンテナコイル占有領域１０では、アンテナ基板１１の一方の面及び他方の面のうちいずれか一方が磁性シート１３によって覆われているため、整合回路２８等を配置するスペースを確保することができない。そこで、アンテナ基板１１の他方の面に回路搭載共有領域２０を形成することによって、整合回路２８等の搭載スペースを確保することができる。ここで、アンテナ基板１１の一方の面には、アンテナ基板の外周に沿ってアンテナコイル１１ａを周回させることができるので、アンテナコイル１１ａの開口面積も確保することができるので、アンテナモジュール２の通信特性を維持することが可能になる。

　アンテナコイル１１ａは、アンテナ基板１１の外縁から巻き始めて、すべてのターン数についてアンテナ基板１１の外縁に沿って巻回する構成に限らない。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、アンテナコイル１１ａの一部のみを回路搭載共有領域２０の側の外縁を周回させるようにしてもよい。すなわち、アンテナモジュール２ａは、図２Ａ乃至Ｃの場合と同様に、アンテナ基板１１と、アンテナ基板１１の一方の面に形成されたアンテナコイル１１ａとを備え、アンテナ基板１１の他方の面に、アンテナコイル１１ａと、通信処理部３０とをインピーダンス整合をとりながら電気的に接続する整合回路２８等が搭載される回路搭載共有領域２０が形成され、リーダライタ１２０のアンテナ１２１からの磁界を集めてアンテナコイル１１ａに導く磁性シート１３が、スリット１４に挿入される。ここで、図２Ａ乃至Ｃの場合には、アンテナコイル１１ａは、アンテナ基板１１の外縁部に沿ってアンテナ基板１１上に形成されるのに対して、この変形例では、アンテナコイル１１ａのもっとも外側の巻線のみがアンテナ基板１１の外縁部に沿って形成され、２ターン目の巻線は、アンテナ基板１１のうち回路搭載共有領域２０に隣接するアンテナコイル占有領域１０内で巻回される。なお、アンテナコイル１１ａのもっとも外側の巻線、すなわち１ターン目の巻線についてのみアンテナコイル占有領域１０から回路搭載共有領域２０にわたって形成される場合に限らず、２ターン目や、３ターン目等まで巻回するようにしてもよいのはいうまでもない。

　本発明が適用されたアンテナモジュール２，２ａは、図４に一例として示すように、アンテナ基板１１上に、アンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａによって構成される共振回路のＱを調整するダンピング抵抗（Ｒ１，Ｒ２）２１ａ，２１ｂと、アンテナコイル１１ａとアンテナコイル１１ａに接続される回路とのインピーダンス整合をはかる整合回路２８と、通信処理部３０によってアンテナコイル１１ａを駆動する駆動信号のスプリアス抑制のためのローパスフィルタ２９とを備え、これらは、縦続接続される。アンテナモジュール２，２ａと送受信信号のやりとりを行う通信処理部３０が、アンテナモジュール２，２ａの接続端子（ＴＸ１，ＴＸ２）２６ａ，２６ｂ及びグランド端子（Ｇ）２７を介して接続される。

　なお、上述の回路構成は、平衡入出力を有する通信処理部３０と接続する差動回路構成の場合の一例であって、非平衡入出力に対応するシングルエンド回路構成にしたり、ローパスフィルタの回路構成を変更したりできるのはいうまでもない。また、回路搭載共有領域２０に搭載する回路の機能ブロックは、上述のすべての機能ブロックを搭載する場合に限らず、整合回路２８のみを搭載する等選択できるのはもちろんである。

　整合回路２８等をアンテナモジュール２，２ａ側に搭載することによって、アンテナモジュールとして特定無線設備の技術基準適合証明を受けることができ、このアンテナモジュールを搭載した電子機器の認証手続を簡単化することができるとの利点もある。

　［アンテナモジュールの通信特性の実験］
　本発明が適用されたアンテナモジュールと従来構造のアンテナモジュールとの通信特性を比較する実験を行った。

　図５Ａに示すようにアンテナコイル占有領域１０に隣接して回路搭載共有領域２０とを設けた。ポリイミド基板の一面に４ターンのアンテナコイル１１ａをＣｕ箔により形成した。磁性シートを挿入するスリット１４は、アンテナコイル占有領域１０のみに形成し、Ｎｉ－Ｚｎフェライト製の磁性シート１３を挿入した。

　＜実施例＞
　実施例１として、アンテナコイル１１ａの１ターン目を図５Ａのポリイミド基板の最外周に沿って形成し、２ターン目～４ターン目をアンテナコイル占有領域１０内に形成した。

　実施例２として、アンテナコイル１１ａの１ターン目から４ターン目までのすべてを図５Ａのポリイミド基板の最外周から外周に沿って形成した。

　＜比較例＞
　比較例として、図５Ｂに示すように、ポリイミド基板の最外周から１ターン目の巻回を開始し、４ターンのアンテナコイル１１ａを形成した。ポリイミド基板のサイズは、図５Ａの場合のアンテナモジュールにおけるアンテナコイル占有領域１０とほぼ同一となるようにした。また、図５Ａのアンテナモジュールに用いたものと同一のＮｉ－Ｚｎフェライト製の磁性シート１３を挿入した。スリット１４の寸法も、図５Ａのものと同一である。

　＜参考例＞
　参考例として、図５Ｃに示すように、ポリイミド基板の最外周から１ターン目の巻回を開始し、４ターンのアンテナコイル１１ａを形成した。ポリイミド基板のサイズは、図５Ａのものと同一である。ポリイミド基板の長辺の幅にほぼ等しい幅にスリット１４ａを形成し、スリット１４ａには、Ｎｉ－Ｚｎフェライト製の磁性シート１３ａを挿入した。したがって、磁性シート１３ａの幅は、図５Ａ及び図５Ｂのものよりも広い。

　＜測定方法＞
　アンテナモジュールの通信特性は、図６Ａに示す測定系を構成して測定した。具体的な評価条件としては、以下のようにした。すなわち、リーダライタ１２０のアンテナ１２１は、リーダライタ１２０の中心をｘｙｚ座標の原点（Ｏ）１２１ａとするｘ×ｙ＝７０ｍｍ×４０ｍｍの４ターンの方形コイルとした。通信特性を測定するアンテナモジュールは、開口面をリーダライタ１２０のアンテナ１２１に対向させ、原点（Ｏ）１２１ａからｚ方向に２０ｍｍ離間して配置した。ここで、図６Ｂに示すように、アンテナモジュールとリーダライタ１２０との相対的位置をオフセット距離ａとして定義した。オフセット距離ａは、原点（Ｏ）１２１ａからアンテナモジュールの長辺側の端部がｘ方向に突出する距離をいうものとする。オフセット距離ａを変化させて、アンテナモジュールのアンテナコイルと、リーダライタ１２０のアンテナ１２１との結合係数ｋを測定した。

　＜結果＞
　実施例１、実施例２、比較例及び参考例の構成のアンテナモジュールのそれぞれについて、オフセット距離ａに対する結合係数ｋの変化をプロットしたグラフを図７に示す。

　実施例１及び実施例２のアンテナモジュールともに、比較例のアンテナモジュールに対して、高い結合係数を実現することができ、良好な通信特性であることが示された。実施例１では、アンテナ基板の最外周を周回するターン数が１ターンであり、残りのターン数がアンテナコイル占有領域内で形成されているため、４ターンすべてが最外周から巻回される実施例２に比べて結合係数が低いものの、参考例と比較してもそん色のないレベルであった。

　１　通信装置、２，２ａ　アンテナモジュール、１０　アンテナコイル占有領域、１１　アンテナ基板、１１ａ　アンテナコイル、１３　磁性シート、１４　スリット、２０　回路搭載共有領域、２８　整合回路、２９　ローパスフィルタ、３０　通信処理部、１２０　リーダライタ、１２１　アンテナ、１２２　制御基板、１３０　携帯電話機

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、
　基板と、
　上記基板の一方の面に周回するように形成されたアンテナコイルと、
　上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれて上記発信器からの磁界を引き込む磁性シートと、
　上記基板の他方の面に、上記磁性シートが差し込まれた位置を回避する位置に形成され、外部回路に接続され、１つ以上の回路要素を含む回路部とを備え、
　上記アンテナコイルの巻き線の少なくとも一部が、上記回路部を取り囲むことを特徴とするアンテナ装置。
　上記回路部のうち上記回路要素の少なくとも一部が、上記アンテナコイルに取り囲まれることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
　上記回路部は、外部の駆動回路とのインピーダンス整合をとる整合回路であることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
　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通信装置において、
　基板と、該基板の一方の面に周回するように形成されたアンテナコイルと、該アンテナコイルの中心部分に差し込まれて上記発信器からの磁界を引き込む磁性シートと、該基板の他方の面に、該磁性シートが差し込まれた位置を回避する位置に形成され、外部回路に接続され、１つ以上の回路要素を含む回路部とを有するアンテナ装置を備え、
　上記アンテナコイルの巻き線の少なくとも一部が、上記回路部を取り囲むことを特徴とする通信装置。