JP2012095350A - アンテナコイル及びアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導体板とアンテナコイルとの隙間が大きくなっても特性劣化の小さいアンテナ装置を構成する。
【解決手段】アンテナ装置１０１はアンテナコイル９１と回路基板３１とで構成されている。アンテナコイル９１は、コイル導体３４−１，３４−２が形成されたフレキシブル基板３２と磁性体コア３３−１，３３−２とで構成されている。磁性体コア３３−１，３３−２はフレキシブル基板３２の貫通孔にそれぞれ挿入されている。第１のコイル導体３４−１及び第２のコイル導体３４−２のうち、磁性体コア３３−１，３３−２の第１主面に近接する第１の導体部分と、磁性体コア３３−１，３３−２の第２主面に近接する第２の導体部分とは、磁性体コア３３−１，３３−２の第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にあり、第２の導体部分は第１の導体部分に比べて回路基板３１の中心より遠い位置に配置されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、外部機器と電磁界信号を介して通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられるアンテナコイル及びアンテナ装置に関するものである。

近年、利用が拡大しているＲＦＩＤシステムにおいては、携帯通信端末とリーダ・ライタの各々に情報通信用のアンテナを搭載し、互いにデータを交信している。このうち携帯電子機器に搭載されるアンテナには特に、高性能、低価格、小型化の要請が強く、これらを実現しようとするものとして、磁性体コアを備えた磁性体アンテナが特許文献１，特許文献２，特許文献３に開示されている。

図１（Ａ）は特許文献１に示されている磁性体アンテナの斜視図、図１（Ｂ）はその平面図である。この図１（Ａ），図１（Ｂ）に示されるアンテナ装置２３においては回路基板２１にアンテナコイル２２が実装されている。回路基板２１には、アンテナコイル２２の横方向の端部と回路基板２１の短手方向の端部が重なり合うようにアンテナコイル２２が実装されている。

アンテナコイル２２は、第１の磁性体コア２４ａと第１の磁性体コア２４ａとは間隔を設けて並置された第２の磁性体コア２４ｂに、コイルの軸方向が一致し、かつ巻回方向が逆となるように第１のコイル部２２ａ及び第２のコイル部２２ｂが巻回されている。

特許文献２には、平面内で渦巻き状に形成された空芯コイルと、その空芯コイルに挿入された平板状の磁芯部材とを備え、前記空芯コイルの平面と略平行となるように前記磁芯部材を設けた構成が開示されている。
特許文献３には、ループ状のコイルの下に磁性体を設置した構成が開示されている。

特許第３９５７０００号公報 特開２００２−３２５０１３号公報 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、回路基板２１とアンテナコイル２２との隙間が大きくなると、コイルの軸方向に透過する磁束の割合が小さくなってコイルと鎖交する磁界が減り、結合係数が劣化するという問題がある。

特許文献２に示されているアンテナ装置においては、金属板の片側に抜ける磁束しかコイルと鎖交しないため、十分な通信性能が得られない。

特許文献３に示されているアンテナ装置においては、アンテナの下に導体板があると、結合に寄与しないコイルの自己インダクタンスが大きくなるので結合係数が劣化する。

そこで、この発明の目的は、導体板とアンテナコイルとの隙間が大きくなっても高い結合係数を確保できるようにしたアンテナコイル及びアンテナ装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明のアンテナコイル及びアンテナ装置は次のように構成する。
（１）それぞれ巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成された第１のコイル導体及び第２のコイル導体と、
第１主面、該第１主面と対向する第２主面を有し、前記第１のコイル導体の導体開口部及び前記第２のコイル導体の導体開口部にそれぞれ挿入された磁性体コアと、を備え、
前記第１のコイル導体及び前記第２のコイル導体は、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とが、前記磁性体コアの第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にあり、かつ、前記第１のコイル導体の形成領域及び前記第２のコイル導体の形成領域は、前記磁性体コアの第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にあり、
前記第１のコイル導体の第２の導体部分及び前記第２のコイル導体の第２の導体部分がそれぞれ第１の導体部分に比べて、前記第１のコイル導体と前記第２のコイル導体との形成領域の外形の端部寄りになるように配置されたことを特徴とする。
この構成により、通信相手のアンテナから放射される磁界がアンテナコイルと鎖交しやすいため、導体板とアンテナコイルとの間隔の変動やばらつきによる特性劣化が小さい。

（２）前記磁性体コアは、磁束の出入りする端部を他の部分より太くしてもよい。
このことにより、磁路の磁気抵抗が小さくなって、相手側アンテナとの結合係数が大きくなる。

（３）前記第１のコイル導体及び前記第２のコイル導体はフレキシブル基板に形成されていることが好ましい。

（４）前記フレキシブル基板は、前記導体開口部に前記磁性体コアが貫通する導体開口部側貫通孔と、前記コイル導体の形成領域外に、前記磁性体コアが貫通するコイル導体形成領域外貫通孔と、を備え、
前記磁性体コアは、それぞれ前記フレキシブル基板の第１の主面から前記導体開口部側貫通孔を貫通し、且つ前記フレキシブル基板の第２の主面から前記コイル導体形成領域外貫通孔を貫通する状態に設けられた構造としてもよい。すなわち、フレキシブル基板に磁性体コアを挿入する孔を一つの磁性体コア（コイル導体）について２つずつ設ける。
この構成により、フレキシブル基板と磁性体コアとの接着を１層の粘着層で行うことができ、両面テープ等の部材費を削減できる。

（５）前記第１のコイル導体の前記導体開口部に挿入される前記磁性体コアと、前記第２のコイル導体の前記導体開口部に挿通される前記磁性体コアとは、単一の磁性体コアで構成してもよい。
そのことにより、部品点数が減るため、製造コスト及び部品コストが削減できる。

（６）本発明のアンテナ装置は（１）〜（５）のいずれかに記載のアンテナコイルと、前記アンテナコイルに近接する導体板と、を有するアンテナ装置であって、前記第１のコイル導体は前記導体板の一方端付近に配置され、前記第２のコイル導体は前記導体板の他方端付近に配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、通信相手のアンテナから放射される磁界がアンテナコイルと鎖交しやすいため、導体板とアンテナコイルとの間隔の変動やばらつきによる特性劣化が小さいアンテナ装置が構成できる。

図１（Ａ）は特許文献１に示されている磁性体アンテナの斜視図、図１（Ｂ）はその平面図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素の一つであるフレキシブル基板３２の展開図である。 図３（Ａ）はアンテナ装置１０１の平面図、図３（Ｂ）はアンテナ装置１０１の正面図、図３（Ｃ）はアンテナ装置１０１の右側面図である。 図４（Ａ），図４（Ｂ）は前記アンテナ装置１０１に相手側アンテナの磁束が通る様子を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９２の構成図である。図１２（Ａ）はアンテナコイル９２の組み立て前の平面図、図１２（Ｂ）はアンテナコイル９２の上面図、図１２（Ｃ）はアンテナコイル９２の断面図、図１２（Ｄ）はアンテナコイル９２の下面図である。 図１３（Ａ）は、第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の平面図、図３（Ｂ）はアンテナ装置１０２の正面図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９３の構成図である。図１４（Ａ）はアンテナコイル９３の組み立て前の平面図、図１４（Ｂ）はアンテナコイル９３の上面図、図１４（Ｃ）はアンテナコイル９３の断面図、図１４（Ｄ）はアンテナコイル９３の下面図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９４の構成図である。図１５（Ａ）はアンテナコイル９４の組み立て前の平面図、図１５（Ｂ）はアンテナコイル９４の上面図、図１５（Ｃ）はアンテナコイル９４の下面図である。 第５の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９５の構成図である。図１６（Ａ）はアンテナコイル９５の組み立て前の平面図、図１６（Ｂ）はアンテナコイル９５の上面図、図１６（Ｃ）はアンテナコイル９５の下面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るアンテナ装置について、図２〜図１１を参照して説明する。
図２は第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素の一つであるフレキシブル基板３２の展開図である。

図２に示すように、フレキシブル基板３２には、巻回中心部を導体開口部ＣＷ−１，ＣＷ−２とする渦巻状のコイル導体３４−１，３４−２がそれぞれ形成されている。それぞれの導体開口部ＣＷ−１，ＣＷ−２内には、磁性体コアが挿入される貫通孔３２Ｗ−１，３２Ｗ−２が形成されている。

前記二つのコイル導体３４−１，３４−２は、この二つのコイル導体３４−１，３４−２の導体開口部ＣＷ−１，ＣＷ−２を通る磁束により発生する電流が同相となる向きに２つのコイル導体３４−１，３４−２同士が直列接続され、それぞれの一方端がコイル導体接続部３４−１Ａ，３４−２Ａとして形成されている。

図３（Ａ）はアンテナ装置１０１の平面図、図３（Ｂ）はアンテナ装置１０１の正面図、図３（Ｃ）はアンテナ装置１０１の右側面図である。アンテナ装置１０１はアンテナコイル９１と回路基板３１とで構成されている。アンテナコイル９１は、図２に示したようにコイル導体が形成されたフレキシブル基板３２と磁性体コア３３−１，３３−２とで構成されている。磁性体コア３３−１，３３−２はフレキシブル基板３２の貫通孔３２Ｗ−１，３２Ｗ−２にそれぞれ挿入されている。

第１のコイル導体３４−１及び第２のコイル導体３４−２は回路基板（導体板）３１の短手方向の両端付近に配置される。

前記回路基板３１には例えば携帯通信端末の回路が構成されている。この回路基板３１が本発明に係る導体板に相当する。回路基板３１にはアンテナコイル９１を電気的に接続するための電極を備えていて、これらの電極とアンテナコイル９１のコイル導体接続部３４−１Ａ，３４−２Ａとが、図３（Ｃ）に表れているように、二つのピン３５を介して接続される。

図４（Ａ），図４（Ｂ）は前記アンテナ装置１０１に相手側アンテナの磁束が通る様子を示す図である。図中の破線はアンテナ装置１０１と相手側アンテナとの結合に寄与している代表的な磁束である。

第１のコイル導体３４−１は、磁性体コア３３−１の第１主面に近接する第１の導体部分３４−１１と、磁性体コア３３−１の第２主面に近接する第２の導体部分３４−１２とは、磁性体コア３３−１の第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にあり、同様に、第２のコイル導体３４−２は、磁性体コア３３−２の第１主面に近接する第１の導体部分３４−２１と、磁性体コア３３−２の第２主面に近接する第２の導体部分３４−２２とは、磁性体コア３３−２の第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にある。第１のコイル導体３４−１の第２の導体部分３４−１２及び第２のコイル導体３４−２の第２の導体部分３４−２２のそれぞれは、第１の導体部分３４−１１，３４−２１に比べて、第１のコイル導体３４−１と第２のコイル導体３４−２との形成領域の外形の端部寄りになるように配置されている。

このような構造であるので、図４（Ａ）のように、アンテナコイル９１と回路基板３１との間隔Ｄが大きくなっても、図４（Ｂ）のように、アンテナコイル９１と回路基板３１との間隔Ｄが小さい場合と同様に、コイル導体３４−１，３４−２の導体巻回中心部（前記導体開口部）を通る割合を大きく確保できるので特性劣化が小さい。

すなわち、回路基板（導体板）３１とアンテナコイル９１の間隔Ｄが大きくなっても、通信相手の作る磁界がコイルと鎖交しやすいため、特性劣化が小さい。通常の携帯通信端末に実装する場合を考えた場合、携帯通信端末毎に導体板との隙間は変わってくるが、本発明のアンテナ装置を用いることで、どの携帯端末でも良好な通信性能を得ることが可能となる。

図５〜図１１は、前記回路基板３１とアンテナコイル９１の隙間を変化させたときの、Ｘ１／Ｘ２に対する結合係数の関係を示す図である。ここでＸ１は図３に示したアンテナコイル９１の幅、Ｘ２は図３に示した回路基板３１の短手方向の幅である。また、三角マークの折れ線は第１の実施形態に係るアンテナ装置の特性、菱形マークの折れ線は特許文献１に係るアンテナ装置の特性、正方形マークの折れ線は特許文献３に係るアンテナ装置の特性である。

この結果から、Ｘ１／Ｘ２＞０．７、導体板との隙間が６ｍｍ以下の場合、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置は特許文献１，特許文献３に係るアンテナ装置に比べて大きな結合係数が得られることが分かる。

《第２の実施形態》
図１２（Ａ），図１２（Ｂ），図１２（Ｃ），図１２（Ｄ）は、第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９２の構成図である。図１２（Ａ）はアンテナコイル９２の組み立て前の平面図、図１２（Ｂ）はアンテナコイル９２の上面図、図１２（Ｃ）はアンテナコイル９２の断面図、図１２（Ｄ）はアンテナコイル９２の下面図である。図１２（Ｃ）に表れているように、磁性体コア３３−１，３３−２はフレキシブル基板３２に対して粘着層３６を介して接着されている。
図１３（Ａ）はアンテナ装置１０２の平面図、図３（Ｂ）はアンテナ装置１０２の正面図である。

第１の実施形態で図２・図３に示した例と異なるのは、磁性体コア３３−１，３３−２の形状である。第２の実施形態では磁性体コア３３−１，３３−２は、磁束の出入りする端部が他の部分より太い。
この構造により、磁路の磁気抵抗が小さくなって、相手側アンテナとの結合係数が大きくなる。

《第３の実施形態》
図１４（Ａ），図１４（Ｂ），図１４（Ｃ），図１４（Ｄ）は、第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９３の構成図である。図１４（Ａ）はアンテナコイル９３の組み立て前の平面図、図１４（Ｂ）はアンテナコイル９３の上面図、図１４（Ｃ）はアンテナコイル９３の断面図、図１４（Ｄ）はアンテナコイル９３の下面図である。

第１・第２の実施形態と異なるのは、フレキシブル基板３２の形状と、フレキシブル基板３２に対する磁性体コア３３−１，３３−２の組み立て構造である。

フレキシブル基板３２には、渦巻き状のコイル導体３４−１，３４−２がそれぞれ形成されている。これらのコイル導体３４−１，３４−２の巻回中心部に導体開口部側貫通孔３２Ｗ−１１，３２Ｗ−２１がそれぞれ形成されている。さらに、コイル導体３４−１，３４−２の形成領域外に、磁性体コア３３−１．３３−２が貫通するコイル導体形成領域外貫通孔３２Ｗ−１２，３２Ｗ−２２が形成されている。

前記磁性体コア３３−１は、フレキシブル基板３２の第１の主面から導体開口部側貫通孔３２Ｗ−１１を貫通し、且つフレキシブル基板３２の第２の主面からコイル導体形成領域外貫通孔３２Ｗ−１２を貫通する状態に設けられ、フレキシブル基板３２の第１の主面側が回路基板側を向くように配置されている。同様に、前記磁性体コア３３−２は、フレキシブル基板３２の第１の主面から導体開口部側貫通孔３２Ｗ−２１を貫通し、且つフレキシブル基板３２の第２の主面からコイル導体形成領域外貫通孔３２Ｗ−２２を貫通する状態に設けられ、フレキシブル基板３２の第１の主面側が回路基板側を向くように配置される。

図１４（Ｃ）に表れているように、磁性体コア３３−１，３３−２はフレキシブル基板３２に対して粘着層３６を介して接着されている。この構成により、フレキシブル基板３２と磁性体コア３３−１，３３−２との接着を１層の粘着層３６で行うことができ、両面テープ等の部材費を削減できる。

《第４の実施形態》
図１５（Ａ），図１５（Ｂ），図１５（Ｃ）は、第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９４の構成図である。図１５（Ａ）はアンテナコイル９４の組み立て前の平面図、図１５（Ｂ）はアンテナコイル９４の上面図、図１５（Ｃ）はアンテナコイル９４の下面図である。

第４の実施形態では、単一の磁性体コア３３を設けている。フレキシブル基板３２の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。磁性体コア３３は、フレキシブル基板３２の第１の主面から貫通孔３２Ｗ−１を貫通し、且つフレキシブル基板３２の第２の主面から貫通孔３２Ｗ−２を貫通する状態に設けられ、フレキシブル基板３２の第１の主面側が回路基板側を向くように配置される。

この構成により部品点数が減るため、製造コスト及び部品コストが削減できる。

《第５の実施形態》
図１６（Ａ），図１６（Ｂ），図１６（Ｃ）は、第５の実施形態に係るアンテナ装置の構成要素であるアンテナコイル９５の構成図である。図１６（Ａ）はアンテナコイル９５の組み立て前の平面図、図１６（Ｂ）はアンテナコイル９５の上面図、図１６（Ｃ）はアンテナコイル９５の下面図である。

第５の実施形態では、単一の磁性体コア３３を設けている。フレキシブル基板３２の構成は第３の実施形態で示したものと同じである。
前記磁性体コア３３は、フレキシブル基板３２の第１の主面から導体開口部側貫通孔３２Ｗ−１１を貫通し、且つフレキシブル基板３２の第２の主面からコイル導体形成領域外貫通孔３２Ｗ−１２を貫通し、且つ、フレキシブル基板３２の第１の主面からコイル導体形成領域外貫通孔３２Ｗ−２２を貫通し、フレキシブル基板３２の第２の主面から導体開口部側貫通孔３２Ｗ−２１を貫通する状態に設けられる。そして、フレキシブル基板３２の第１の主面側が回路基板側を向くように配置される。
この構成により部品点数が減るため、製造コスト及び部品コストが削減できる。

３１…回路基板
３２…フレキシブル基板
３２Ｗ−１，３２Ｗ−２…貫通孔
３２Ｗ−１２，３２Ｗ−２２…コイル導体形成領域外貫通孔
３２Ｗ−１１，３２Ｗ−２２…導体開口部側貫通孔
３３，３３−１，３３−２…磁性体コア
３４−１，３４−２…コイル導体
３４−１Ａ，３４−２Ａ…コイル導体接続部
３４−１１，３４−２１…第１の導体部分
３４−１２，３４−２２…第２の導体部分
３５…ピン
３６…粘着層
９１〜９５…アンテナコイル
１０１，１０２…アンテナ装置

Claims (6)

1. それぞれ巻回中心部を導体開口部とする渦巻き状に形成された第１のコイル導体及び第２のコイル導体と、
   第１主面、該第１主面と対向する第２主面を有し、前記第１のコイル導体の導体開口部及び前記第２のコイル導体の導体開口部にそれぞれ挿入された磁性体コアと、を備え、
   前記第１のコイル導体及び前記第２のコイル導体は、前記磁性体コアの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体コアの第２主面に近接する第２の導体部分とが、前記磁性体コアの第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にあり、かつ、前記第１のコイル導体の形成領域及び前記第２のコイル導体の形成領域は、前記磁性体コアの第１主面または第２主面の法線方向から見て重ならない位置にあり、
   前記第１のコイル導体の第２の導体部分及び前記第２のコイル導体の第２の導体部分がそれぞれ第１の導体部分に比べて、前記第１のコイル導体と前記第２のコイル導体との形成領域の外形の端部寄りになるように配置されたアンテナコイル。
2. 前記磁性体コアは、磁束の出入りする端部が他の部分より太い、請求項１に記載のアンテナコイル。
3. 前記第１のコイル導体及び前記第２のコイル導体はフレキシブル基板に形成された、請求項１または請求項２に記載のアンテナコイル。
4. 前記フレキシブル基板は、前記導体開口部に前記磁性体コアが貫通する導体開口部側貫通孔と、前記コイル導体の形成領域外に、前記磁性体コアが貫通するコイル導体形成領域外貫通孔と、を備え、
   前記磁性体コアは、それぞれ前記フレキシブル基板の第１の主面から前記導体開口部側貫通孔を貫通し、且つ前記フレキシブル基板の第２の主面から前記コイル導体形成領域外貫通孔を貫通する状態に設けられた、請求項３に記載のアンテナコイル。
5. 前記第１のコイル導体の前記導体開口部に挿入される前記磁性体コアと、前記第２のコイル導体の前記導体開口部に挿通される前記磁性体コアとは、単一の磁性体コアで構成された、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のアンテナコイル。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のアンテナコイルと、前記アンテナコイルと近接する導体板と、を有するアンテナ装置であって、
   前記第１のコイル導体は前記導体板の一方端付近に配置され、前記第２のコイル導体は前記導体板の他方端付近に配置されている、アンテナ装置。

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