JP2017204777A - アンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ装置の平面サイズを縮小し、且つ、通信距離を拡大する。【解決手段】第１及び第２の領域１２１，１２２を有する第１の金属層１０２と、平面視で第１の金属層１０２と重なり、第１及び第２の端子１３，１４を有するコイルパターン１０Ａとを備える。第１の金属層１０２の第１の領域１２１とコイルパターン１０Ａの第１の端子１３とが接続され、第１の金属層１０２の第２の領域１２２とコイルパターン１０Ａの第２の端子１４とが接続されている。本発明によれば、コイルパターンが第１の金属層と重なっていることから、アンテナ装置の平面サイズを縮小することが可能となる。しかも、第１の金属層がコイルパターンに接続されており、これにより、第１の金属層１０２を介した大きなループが形成されることになるため、より高いアンテナ特性を得ることが可能となる。【選択図】図９

Description

本発明はアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器に関し、特に、近距離無線通信（Near Field Communication）用として好適なアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器に関するものである。

近年、スマートフォン等の携帯無線機器にはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：電波による個体識別）システムが搭載されており、そのための通信手段としてリーダ・ライタ等と近距離無線通信を行うためのアンテナ装置が搭載されている。この種のアンテナ装置としては、例えば特許文献１に記載されたアンテナ装置が知られている。

特許文献１に記載されたアンテナ装置は、放射導体の両端をグランドパターンに接続することによってループアンテナを構成している。

特許第５７０８８９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたアンテナ装置は、放射導体がグランドパターンとは異なる平面位置に設けられていることから、アンテナ装置の平面サイズが大きくなるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、平面サイズが小型化されたアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器を提供することである。

本発明によるアンテナ装置は、第１及び第２の領域を有する第１の金属層と、平面視で前記第１の金属層と重なり、第１及び第２の端子を有するコイルパターンと、を備え、前記第１の金属層の前記第１の領域と前記コイルパターンの前記第１の端子とが接続され、前記第１の金属層の前記第２の領域と前記コイルパターンの前記第２の端子とが接続されていることを特徴とする。

また、本発明による携帯無線機器は、上記のアンテナ装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、コイルパターンが第１の金属層と重なっていることから、アンテナ装置の平面サイズを縮小することが可能となる。しかも、第１の金属層がコイルパターンに接続されており、これにより第１の金属層を介して大きなループが形成されることから、より高いアンテナ特性を得ることが可能となる。前記コイルパターンは、板状の磁性部材に導体を巻回してなるソレノイドコイルを含んでいても構わないし、ミアンダ状の導体を含んでいても構わない。ミアンダ状の導体を用いる場合、コイルパターンは波状の磁性部材をさらに含み、前記磁性部材と前記導体の上下位置は、隣接する導体間において交互に入れ替わることが好ましい。

本発明によるアンテナ装置は、前記コイルパターンに挿入された送受信回路をさらに備えることが好ましい。これによれば、コイルパターンの第１及び第２の端子に送受信回路を直接接続する場合と比べて、より大きなループを形成することが可能となる。

本発明によるアンテナ装置は、スリットを介して前記第１の金属層と対向し、前記第１の金属層と同一平面を構成する第２の金属層をさらに備えることが好ましい。この場合、前記コイルパターンの端部は、前記スリットの近傍に位置していることが好ましい。このような構成においては、第１及び第２の金属層が電磁気シールドとなりアンテナ特性が低下するが、本発明においては、このような構成であっても正しく通信することが可能となる。

本発明によれば、平面サイズが小さく、且つ、通信距離がより拡大されたアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置を備える携帯無線機器１００の外観を示す略斜視図である。 図２は、携帯無線機器１００の背面を内部側から見た平面図である。 図３は、ソレノイドコイル１０Ａの外観を示す斜視図である。 図４は、ミアンダコイル１０Ｂの外観を示す平面図である。 図５は、ミアンダコイル１０Ｂから磁性部材１１を省略した図である。 図６は、ソレノイドコイル１０Ａによって生じる磁束の向きを説明するための模式図である。 図７は、ミアンダコイル１０Ｂによって生じる磁束の向きを説明するための模式図である。 図８は、携帯無線機器１００の部分断面図である。 図９は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の構成を説明するための略斜視図である。 図１０は、外部のリーダ・ライタから発せられる磁束を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置を備える携帯無線機器１００の外観を示す略斜視図である。

図１に示す携帯無線機器１００は例えばスマートフォンであり、薄型の箱状筐体によって構成されている。図１は、携帯無線機器１００を背面側から見た図であり、ディスプレイなどが設けられている前面は下方を向いている。携帯無線機器１００の筐体は樹脂と金属との組み合わせからなり、背面の大部分を構成する中央部は金属層１０２によって構成されている。また、金属層１０２から見て長手方向（ｘ方向）の両側には、金属層１０１，１０３が設けられている。

金属層１０１〜１０３は互いに同一のｘｙ平面を構成する。金属層１０１と金属層１０２はスリットＳＬ１を介して対向し、金属層１０２と金属層１０３はスリットＳＬ２を介して対向している。スリットＳＬ１，ＳＬ２は、筐体の背面においてｙ方向に延在し、筐体の側面においてｚ方向に延在する。このように、筐体の背面の広い範囲が金属層１０１〜１０３によって構成されているのは、主に、筐体の機械的強度、電磁気シールド特性、デザイン性等の向上のためである。

図２は、携帯無線機器１００の背面を内部側から見た平面図である。

図２に示すように、携帯無線機器１００の内部においては、平面視で（ｚ方向から見て）金属層１０２と重なるよう、ソレノイドコイル１０Ａが設けられている。ソレノイドコイル１０Ａと金属層１０１は重なりを有していない。ソレノイドコイル１０Ａは、斜視図である図３に示すように、板状の磁性部材１１に導体１２を複数ターン巻回してなる薄型のコイルパターンであり、そのコイル軸はｘ方向に向いている。磁性部材１１はｘｙ平面を有する板状体であり、ｙ方向に延在する一辺がスリットＳＬ１の近傍に位置するよう配置される。導体１２の一端は第１の端子１３を構成し、導体１２の他端は第２の端子１４を構成する。

但し、本発明において使用するコイルパターンがソレノイドコイル１０Ａに限定されるものではなく、図４に示すミアンダコイル１０Ｂを使用しても構わない。ミアンダコイル１０Ｂは、磁性部材１１を省略した図５に示すように、ｘ方向に複数回折り返された平面的な導体１２を備える。そして、導体１２の第１の端子１３を始点とし、第２の端子１４を終点とした場合、ｘプラス方向に延在する部分が上、ｘマイナス方向に延在する部分が下となるよう磁性部材１１をｚ方向に蛇行させながら装着すれば、図３に示したソレノイドコイル１０Ａと同様のコイル構成が得られる。この場合、磁性部材１１としてはｚ方向に蛇行可能な可撓性の高いシートを用いることが好ましい。また、ミアンダコイル１０Ｂから磁性部材１１を省略し、ミアンダ状の導体１２のみを用いても構わない。

図６はソレノイドコイル１０Ａによって生じる磁束の向きを説明するための模式図であり、図７はミアンダコイル１０Ｂによって生じる磁束の向きを説明するための模式図である。

ソレノイドコイル１０Ａにおいては、磁性部材１１の上側に位置する導体１２ａと下側に位置する導体１２ｂに互いに逆方向の電流が流れる。このため、図６に示すように、導体１２に電流を流した場合に各導体１２の周囲に生じる磁束φ４は、磁性部材１１の上側に位置する導体１２ａにおいて例えば右回り（時計回り）であれば、磁性部材１１の下側に位置する導体１２ｂにおいては左回り（反時計回り）となる。このため、磁性部材１１の上側に位置する導体１２ａの全体の周囲にも例えば右回り（時計回り）の磁束φ５が生じ、磁性部材１１の下側に位置する導体１２ｂの全体の周囲にも左回り（反時計回り）の磁束φ５が生じる。そして、磁性部材１１はこれら導体１２ａ，１２ｂに挟まれていることから、磁性部材１１を経由する磁束φ５の方向が一致し、ソレノイドコイル１０Ａの全体として生じる磁束φ６の向きは一方向（図６に示す例ではｘマイナス方向）となる。

一方、図７に示すように、ミアンダコイル１０Ｂにおいては、各導体１２のｚ方向における位置に実質的な差はなく、ｘ方向に隣接する導体１２ｃ、１２ｄ間に蛇行する波形の磁性部材１１が介在することになる。具体的には、偶数番目の導体１２ｃについては、ｘ方向の両側並びにｚ方向の下側に磁性部材１１が位置する一方、奇数番目の導体１２ｄについては、ｘ方向の両側並びにｚ方向の上側に磁性部材１１が位置する。これにより、隣接する導体１２ｃ、１２ｄの一方が磁性部材１１の上側、他方が磁性部材１１の下側となるよう、磁性部材１１の上下位置が交互に入れ替わる。

そして、ｘ方向に隣接する導体１２ｃ、１２ｄには、互いに逆方向の電流が流れるため、図７に示すように、導体１２に電流を流した場合に各導体１２の周囲に生じる磁束φ４は、偶数番目の導体１２ｃにおいて例えば右回り（時計回り）であれば、奇数番目の導体１２ｄにおいては左回り（反時計回り）となる。しかしながら、ｘ方向に隣接する導体１２ｃ、１２ｄ間には、ｚ方向に蛇行する磁性部材１１が介在していることから、磁性部材１１の上側に生じる磁束φ５と磁性部材１１の下側に生じる磁束φ５は打ち消し合わず、磁性部材１１の上側に位置する偶数番目の導体１２ｃの全体の周囲にも例えば右回り（時計回り）の磁束φ５が生じ、磁性部材１１の下側に位置する奇数番目の導体１２ｄの全体の周囲にも左回り（反時計回り）の磁束φ５が生じる。そして、磁性部材１１は、導体１２ｃ、１２ｄ間をｚ方向に蛇行するよう配置されていることから、磁性部材１１を経由する磁束φ５の方向が一致し、ミアンダコイル１０Ｂの全体として生じる磁束φ６の向きは一方向（図７に示す例ではｘマイナス方向）となる。

このように、ミアンダコイル１０Ｂは、各導体１２のｚ方向における位置がほぼ一定であることから、ソレノイドコイル１０Ａよりもさらに薄型化することが可能となる。しかも、磁性部材１１がｚ方向に蛇行していることから、図７に示すように、磁性部材１１の上側に生じる磁束φ１２と磁性部材１１の下側に生じる磁束φ１２のｚ方向における広がりがソレノイドコイル１０Ａよりも大きく、これにより良好なアンテナ特性を得ることも可能となる。

図８は、携帯無線機器１００の部分断面図である。

図８に示すように、ソレノイドコイル１０Ａは、接着剤１５によって金属層１０２の裏面に接着されている。また、金属層１０２の別の平面位置には、回路基板２０が設けられている。回路基板２０には多数の電子部品が実装されているが、図８には１個の電子部品２１のみが図示されている。このように、ソレノイドコイル１０Ａ及び回路基板２０は、いずれも金属層１０２と完全に重なるよう、金属層１０２の裏面に配置されている。

図９は、本実施形態によるアンテナ装置の構成を説明するための略斜視図である。

図９に示すように、回路基板２０の主面上には、インピーダンス整合回路２１及びＲＦＩＤ用の送受信回路２２などが搭載されている。

インピーダンス整合回路２１はソレノイドコイル１０Ａを構成する導体１２の途中に挿入されており、ＲＦＩＤ用のアンテナ装置のインピーダンスマッチングに用いられる。インピーダンス整合回路２１には、送受信回路２２が接続されている。ＲＦＩＤ用のアンテナ装置には、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数が用いられる。

図９に示すように、ソレノイドコイル１０Ａの端子１３は、金属層１０２の第１の領域１２１に接続されている。同様に、ソレノイドコイル１０Ａの端子１４は、金属層１０２の第２の領域１２２に接続されている。これにより、端子１３と端子１４は、金属層１０２によって電気的に接続される。つまり、金属層１０２は、ソレノイドコイル１０Ａの一部を構成することになる。

このような構成により、金属層１０２を介した大きなループが形成されることになるため、端子１３，１４をインピーダンス整合回路２１及びＲＦＩＤ用の送受信回路２２に直接接続した場合と比べて、より高いアンテナ特性を得ることが可能となる。

図１０は、外部のリーダ・ライタから発せられる磁束を示す模式図である。

図１０には、リーダ・ライタから発せられる磁束φ１，φ２が示されており、このうち、磁束φ１はスリットＳＬ１を通過する磁束であり、磁束φ２は金属層１０１，１０２にぶつかる磁束である。スリットＳＬ１を通過した磁束φ１の一部は、図９に示したソレノイドコイル１０Ａに吸い込まれ、電流に変換される。これに対し、磁束φ２が金属層１０１，１０２にぶつかると、これを打ち消すよう、逆方向の磁束φ３が発生する。この磁界φ３は、スリットＳＬ１を介して金属層１０１，１０２の表面（図１０における下面）から裏面（図１０における上面）に回り込むため、その一部が効率よくソレノイドコイル１０Ａに吸い込まれる。つまり、ソレノイドコイル１０Ａは、平面視で金属層１０２に完全に覆われているにもかかわらず、コイル軸であるｘ方向におけるスリットＳＬ１との距離を狭くすることにより、多くの磁束を電流に変換することができる。

このように、本実施形態においては、スリットＳＬ１を通過した磁束の一部がソレノイドコイル１０Ａによって捉えられ、電流に変換される。そして、ソレノイドコイル１０Ａの１ターンは、金属層１０２を経由するより大きなループを形成するため、より高いアンテナ特性を得ることが可能となる。しかも、本実施形態においては、ソレノイドコイル１０Ａのコイル軸方向における端部がスリットＳＬ１の近傍に位置していることから、磁束φ３を効率よくソレノイドコイル１０Ａに取り込むことが可能となる。これにより、携帯無線機器１００の背面の大部分が金属層１０１〜１０３で覆われているにもかかわらず、ＲＦＩＤ用のアンテナ装置の通信距離を確保することが可能となる。

また、本実施形態においては、ソレノイドコイル１０Ａ及び回路基板２０がいずれも金属層１０２の裏面に設けられ、両者が金属層１０２によって完全に覆われていることから、アンテナ装置の平面サイズが増大することもない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、ソレノイドコイル１０Ａ（或いはミアンダコイル１０Ｂ）が金属層１０２で完全に覆われているが、本発明においてこの点は必須ではなく、ソレノイドコイル１０Ａ（或いはミアンダコイル１０Ｂ）の一部分だけが金属層１０２で覆われていても構わない。尚、大面積の金属層１０２が存在すると十分なアンテナ特性を得ることが困難となるため、本発明はこのような構成において特に有効である。むしろ、図１０を用いて説明したように、ソレノイドコイル１０Ａ（或いはミアンダコイル１０Ｂ）を金属層１０２によって完全に覆い、且つ、スリットＳＬ１に近接して配置することによって、より多くの磁束を捉えることができる。

さらに、上記実施形態においては、金属層１０１，１０２が携帯無線機器１００の筐体の一部を構成しているが、本発明においてこの点は必須でない。また、ソレノイドコイル１０Ａ（或いはミアンダコイル１０Ｂ）を金属層１０２に貼り付けることも必須でなく、回路基板２０上に搭載しても構わない。

１０Ａ ソレノイドコイル
１０Ｂ ミアンダコイル
１１ 磁性部材
１２，１２ａ〜１２ｄ 導体
１３，１４ 端子
１５ 接着剤
２０ 回路基板
２１ インピーダンス整合回路
２２ 送受信回路
１００ 携帯無線機器
１０１〜１０３ 金属層
１２１，１２２ 領域
ＳＬ１，ＳＬ２ スリット
φ１〜φ６ 磁束

Claims (9)

1. 第１及び第２の領域を有する第１の金属層と、
   平面視で前記第１の金属層と重なり、第１及び第２の端子を有するコイルパターンと、を備え、
   前記第１の金属層の前記第１の領域と前記コイルパターンの前記第１の端子とが接続され、
   前記第１の金属層の前記第２の領域と前記コイルパターンの前記第２の端子とが接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記コイルパターンに挿入された送受信回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. スリットを介して前記第１の金属層と対向し、前記第１の金属層と同一平面を構成する第２の金属層をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記コイルパターンの端部は、前記スリットの近傍に位置していることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記コイルパターンは、板状の磁性部材に導体を巻回してなるソレノイドコイルを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記コイルパターンは、ミアンダ状の導体を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記コイルパターンは波状の磁性部材をさらに含み、前記磁性部材と前記導体の上下位置は、隣接する導体間において交互に入れ替わることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアンテナ装置を備える携帯無線機器。
9. 前記第１の金属層が筐体の一部を構成することを特徴とする請求項８に記載の携帯無線機器。

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