JP2018019406A - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルアンテナの周囲が金属筐体等の導体で囲まれる構造でありながら、通信を可能としたアンテナ装置およびそれを備える通信機器を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１０１は、ヘリカル状に巻回された形状のコイル導体を有するコイルアンテナ２と、コイルアンテナ２を囲む導体１と、を備える。筒状導体１は、コイルアンテナ２のコイル導体の巻回軸ＡＸ−ＡＸ方向を実質的な軸方向とする、第１開口１１および第２開口１２を有する筒状をなし、且つ筒状の第１開口１１から軸方向に延伸するスリット１Ｓを有する。このように、コイルアンテナの周囲が金属筐体等の導体で囲まれる構造のアンテナ装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に、コイルアンテナを有するアンテナ装置に関する。また、本発明は電子機器に関し、特にコイルアンテナを有するアンテナ装置を備えた電子機器に関する。

磁性体コアの周囲をヘリカル状に巻回した形状の導体パターンを備えたコイルアンテナが特許文献１に示されている。

このようなコイルアンテナは、磁性層で磁性体コアが構成され、磁性層の主面に沿って形成された線状導体部でコイルが構成され、全体は表面実装型のチップ部品として構成される。したがって、この種のコイルアンテナは、組み込み先である通信機器が有する回路基板に実装される。

国際公開第２０１３／１６８５５８号

上記コイルアンテナの実装構造は簡素であるので、実装上の自由度は高く、近年様々な機器に組み込まれるようになっている。

一方、通信機器の強度向上やデザイン性向上を考慮して、通信機器に金属筐体が用いられることがある。ところが、コイルアンテナの周囲が金属筐体等の導体で囲まれると、その導体に、磁束の変化を妨げる方向の渦電流が流れる。すなわち、電磁界が遮蔽されて通信不能となる。

本発明の目的は、コイルアンテナの周囲が金属筐体等の導体で囲まれる構造でありながら、通信を可能としたアンテナ装置およびそれを備える電子機器を提供することにある。

（１）本発明のアンテナ装置は、中実の磁性体コアと、ヘリカル状に巻回された形状のコイル導体とを有するコイルアンテナと、前記コイルアンテナを囲む導体と、バッテリと、前記コイルアンテナおよび前記バッテリを囲む導体と、を備え、
前記導体は、第１開口、第２開口および側面を有し、前記コイルアンテナの前記コイル導体の巻回軸方向を実質的な軸方向とする、内部が空洞の筒状をなし、
前記導体は、前記側面に前記第１開口から軸方向に延伸するスリットを有し、前記バッテリは前記側面と前記コイルアンテナとの間に配置されることを特徴とする。

上記構成により、コイルアンテナから発生する磁束が上記導体に鎖交しても、導体を周回しようとする電流経路はスリットで分断されるので、コイルアンテナの磁束の変化を妨げる渦電流は上記導体に流れにくい。その結果、導体による電磁界遮蔽が抑制され、通信が可能となる。

（２）上記（１）において、前記コイルアンテナの位置は、前記導体の前記軸方向における中心に対して前記第１開口の方向へオフセットしていることが好ましい。このことにより、導体の第１開口付近の磁束密度が高まり、第１開口方向での通信特性が良好となる。また、コイルアンテナを出入りする磁束の経路は導体の中心から第１開口方向と第２開口方向とで非対称となるので、導体のスリット形成面での通信も可能となる。

（３）上記（１）または（２）において、平面視で、前記スリットは前記コイルアンテナの位置より前記第２開口の方向へ更に延伸していることが好ましい。このことにより、コイルアンテナの磁束の変化を妨げる渦電流が効果的に抑制される。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記スリットは前記第１開口から前記第２開口まで連通していることが好ましい。このことにより、コイルアンテナの磁束の変化を妨げる渦電流がより効果的に抑制される。

（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記導体は、例えば、内部に前記コイルアンテナ以外の回路または部材を収納する筐体である。この構成であれば、金属筐体を備えるので、強度面およびデザイン面で優れた電子機器に一体的に組み込むことができる。

（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記磁性体コアは、例えば、前記第１開口の平面視で、前記第１開口より小さく、前記第１開口の中央または中央からオフセットされた位置に配置可能な大きさである。

（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、例えば前記導体の前記内部に回路基板が収納されており、前記コイルアンテナは前記回路基板に実装されている。

（８）上記（７）において、前記コイルアンテナは、前記コイル導体の巻回軸方向から見て前記バッテリと前記回路基板との間に位置することが好ましい。

（９）本発明の電子機器は、上記（１）から（８）のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記コイルアンテナに接続される給電回路とを備える。この構成により、筐体が金属でありながらも、内部のコイルアンテナを用いた通信が可能な電子機器が得られる。

本発明によれば、コイルアンテナの周囲が金属筐体等の導体で囲まれる構造でありながら、通信を可能としたアンテナ装置およびそれを備える電子機器が得られる。

図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の斜視図である。 図２はアンテナ装置１０１の平面図である。 図３はコイルアンテナ２の内部の構成を示す分解斜視図である。 図４（Ａ）はアンテナ装置１０１が備える筒状導体１に流れる渦電流について示す図である。図４（Ｂ）は比較例のアンテナ装置が備える筒状導体１Ｐに流れる渦電流について示す図である。 図５（Ａ）はアンテナ装置１０１と通信相手側アンテナ３との結合の様子を示す図である。図５（Ｂ）は比較例のアンテナ装置と通信相手側アンテナ３との結合の様子を示す図である。 図６（Ａ）（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２Ａ、１０２Ｂの斜視図である。 図７は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２Ｃの平面図である。 図８は第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３Ａ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１０３Ｂの斜視図である。 図１０は電子機器２０１の正面図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付す。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

以降に示す各実施形態において、「アンテナ装置」とは、磁束を放射するアンテナである。アンテナ装置は、通信相手側のアンテナと磁界結合を用いた近傍界通信のために用いられるアンテナであり、例えばＮＦＣ（Near field communication）等の通信に利用される。アンテナ装置は、例えばＨＦ帯、特に13.56MHzまたは13.56MHz近傍の周波数で用いられる。アンテナ装置の大きさは使用する周波数における波長λに比べて十分に小さく、使用周波数帯においては電磁波の放射特性は悪い。アンテナ装置の大きさはλ/10以下である。なお、ここでいう波長とは、アンテナが形成される基材の誘電性や透磁性による波長短縮効果を考慮した実効的な波長の事を指す。コイルアンテナが有するコイル導体の両端は、使用周波数帯（ＨＦ帯、特に13.56MHz近傍）を操作する給電回路に接続される。

《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の斜視図である。図２はアンテナ装置１０１の平面図である。アンテナ装置１０１の導体１はコイルアンテナ２とこのコイルアンテナ２を囲む筒状導体１とを備える。コイルアンテナ２はヘリカル状に巻回されたコイル導体を有するチップ状のコイルアンテナである。図１中の破線はコイル導体の巻回軸ＡＸ−ＡＸを表している。コイル導体の巻回軸ＡＸ−ＡＸはＹ軸方向を向く。

筒状導体１は、コイルアンテナ２のコイル導体の巻回軸ＡＸ−ＡＸ方向を実質的な軸方向とする、第１開口１１、第２開口１２および側面を有し、内部が空洞の筒状（この例では角筒状）を成す。図１に示す例では、第１開口１１の面および第２開口１２の面はそれぞれＸ−Ｚ面に平行な面である。この筒状導体１は本発明に係る「導体」の一例である。

筒状導体１の側面には、第１開口１１から第２開口１２まで軸方向に延伸するスリット１Ｓを備える。スリット１Ｓの間隙は例えば0.1mmである。この筒状導体１は、例えばステンレススチール、マグネシウム、アルミニウム等の金属板の折り曲げ成形体である。

コイルアンテナ２の位置は、筒状導体１の軸方向における中心に対して、すなわち、平面視で、筒状導体１の中心（図２中の点Ｏ）に対して、筒状導体１の第１開口１１方向へオフセットしている。また、コイルアンテナ２は、筒状導体１の第１開口１１の高さ方向（Ｚ軸方向）、左右の幅方向（Ｘ軸方向）のいずれについてもほぼ中央に配置されている。なお、コイルアンテナ２は筒状導体１の第１開口１１の高さ方向、左右の幅方向のいずれについてもほぼ中央に配置されている必要は無く、第１開口１１の高さ方向、左右の幅方向においてオフセットされていてもよい。

図３はコイルアンテナ２の内部の構成を示す分解斜視図である。コイルアンテナ２は、基材層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅと、これら基材層のうち所定の基材層に形成された導体パターンとで構成される。基材層２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは磁性体層であり、基材層２０ａ，２０ｅは非磁性体層である。上記磁性体層はコイルアンテナの磁性体コアとして作用する。

基材層２０ｂの上面には複数のコイル導体２３、基材層２０ｅの上面に複数のコイル導体２４がそれぞれ形成されている。基材層２０ｂ，２０ｃ，２０ｄには、コイル導体２３，２４間を層間接続する層間接続導体（ビア導体）２５が形成されている。基材層２０ｅの下面には実装用電極２１，２２，２７が形成されている。複数のコイル導体２３の配列方向の両端のコイル導体２３の端部は層間接続導体２６を介して実装用電極２１，２２にそれぞれ接続されている。このようにコイルアンテナ２は、表面実装型のチップ部品として構成されている。このコイルアンテナ２の大きさは、例えば5.7mm×2.8mm×0.9mmである。

図４（Ａ）は本実施形態のアンテナ装置１０１が備える筒状導体１に流れる渦電流について示す図である。図４（Ｂ）は比較例のアンテナ装置が備える筒状導体１Ｐに流れる渦電流について示す図である。いずれも筒状導体の第１開口１１から見た図である。コイルアンテナ２のドット記号はコイルアンテナ２に生じる磁束の向きを示している。

図４（Ｂ）に示すように、筒状導体１にスリット１Ｓが形成されていないと、コイルアンテナ２を通る磁束により、図４（Ｂ）中に矢印で示すように、筒状導体１Ｐに渦電流が流れる。これに対し、本実施形態のアンテナ装置１０１では、導体１にスリット１Ｓが形成されていることにより、上記渦電流は流れず、筒状導体１による電磁界遮蔽が抑制され、通信相手側アンテナと磁界結合による通信が可能となる。

ここで、スリット１Ｓが形成されていない筒状導体でコイルアンテナが囲まれている比較例のアンテナ装置と本実施形態のアンテナ装置１０１とを比較する。

通信相手側アンテナを直径70mmのコイルアンテナとし、通信相手側アンテナの中心から筒状導体１の第１開口１１までの距離を10mm、通信相手側アンテナの中心からコイルアンテナ２までの距離を11.5mmとしたとき、この比較例のアンテナ装置と通信相手側アンテナとの結合係数は僅か0.0025であり、殆ど結合しない。

一方、本実施形態のアンテナ装置１０１と通信相手側アンテナとの結合係数は0.0150である。また、筒状導体１を設けないコイルアンテナ２単体での結合係数は0.0157であるので、筒状導体１を設けることによる結合係数の低下は殆ど無い。

図５（Ａ）は本実施形態のアンテナ装置１０１と通信相手側アンテナ３との結合の様子を示す図である。図５（Ｂ）は比較例のアンテナ装置と通信相手側アンテナ３との結合の様子を示す図である。いずれも破線は磁束を示す。また、アンテナ装置に対する通信相手側アンテナ３の二つの位置関係を併せて図示している。

図５（Ｂ）に示すように、比較例のアンテナ装置は、コイルアンテナ２が筒状導体１の中央に配置されている。そのため、第１開口１１、第２開口１２およびスリット１Ｓを出入りする磁束は図に示す方向に視て左右対称である。したがって、通信相手側アンテナ３がスリット１Ｓに沿って近接している状態では、通信相手側アンテナ３に磁束が実質的に鎖交せず、通信できない。

これに対して、本実施形態のアンテナ装置１０１は、図５（Ａ）に示すように、筒状導体１の第１開口１１寄りにコイルアンテナ２がオフセットしているので、この第１開口１１に、通信相手側アンテナ３が近接している状態で、コイルアンテナ２と通信相手側アンテナとは最も強く磁界結合する。また、通信相手側アンテナ３がスリット１Ｓに沿って近接している状態でも、通信相手側アンテナ３に磁束が鎖交し、通信可能である。

《第２の実施形態》
図６（Ａ）（Ｂ）は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２Ａ、１０２Ｂの斜視図である。第１の実施形態で図１に示したアンテナ装置１０１とはスリット１Ｓの形成位置が異なる。その他の構成は第１の実施形態のアンテナ装置１０１と同じである。

アンテナ装置１０２Ａの筒状導体１には、その１つの稜部にスリット１Ｓが形成されている。アンテナ装置１０２Ｂでは、筒状導体１の側面にスリット１Ｓが形成されている。いずれのアンテナ装置においても、スリット１Ｓは導体１に流れようとする渦電流を阻止する。そのため、第１の実施形態のアンテナ装置１０１と同様に、筒状導体１による電磁界遮蔽が抑制され、通信が可能となる。

図７は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２Ｃの平面図である。筒状導体１のスリット１Ｓは、その途中に開口部１Ａを備えている。この開口部１Ａには押しボタンスイッチ等の操作部７が露出している。このように、スリット１Ｓの一部は所望の部材の露出部を兼ねていてもよい。操作部以外にカメラレンズ用の開口部、各種センサの検知部、マイク、スピーカー等のデバイスを兼ねてもよい。

《第３の実施形態》
図８は第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３Ａの平面図である。第１の実施形態で図１に示したアンテナ装置１０１とは、スリット１Ｓの形状が異なる。本実施形態のアンテナ装置１０３Ａでは、筒状導体１に、その第１開口１１から第２開口１２方向に（筒状導体１の軸方向に）延伸するスリット１Ｓが形成されている。スリット１Ｓは第２開口１２まで達せず、途中で終わっている。但し、スリット１Ｓはコイルアンテナ２の位置より第２開口１２の方向へ更にＬだけ延伸している。

このように、スリット１Ｓは第１開口１１から第２開口１２まで必ずしも連通していなくてもよい。磁束密度はコイルアンテナ２に近い程高い。すなわち、磁束密度分布はコイルアンテナ２の周囲に集中している。そのため、コイルアンテナ２から離れた筒状導体１の位置には流れる渦電流は小さい。

図８に示したように、平面視でコイルアンテナ２の近接部分にスリット１Ｓが形成されていれば、コイルアンテナ２の磁束の変化を妨げる渦電流が効果的に抑制される。

上記スリット１Ｓが筒状導体１の第１開口から中央まで延伸している場合、アンテナ装置１０３Ａと通信相手側アンテナとの結合係数は0.0106である。第１の実施形態で示した、スリット１Ｓが第１開口１１から第２開口１２まで連接しているアンテナ装置１０１の結合係数は0.0150であるので、結合係数の大きな低下は無い。

図９は第３の実施形態に係る別のアンテナ装置１０３Ｂの斜視図である。第１の実施形態で図１に示したアンテナ装置１０１とは、筒状導体１の形状が異なる。本実施形態のアンテナ装置１０３Ｂでは、筒状導体１の第２開口１２の面積は第１開口１１の面積より小さい。スリット１Ｓは第１開口１１から第２開口１２まで連通している。

このように筒状導体１の実質的な開口面積が狭められていてもよい。その狭められた開口（図９の例では第２開口１２）に磁束が通るので、コイルアンテナ２の磁束の変化を妨げる渦電流が筒状導体に流れる現象は抑制される。なお、第１開口および第２開口はスリットとほぼ同じ幅のスリットとして構成されていてもよい。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では電子機器の例を示す。図１０は電子機器２０１の正面図である。この電子機器２０１は、第１の実施形態で図１に示したアンテナ装置１０１の筒状導体１を筐体として利用したものである。したがって、電子機器２０１の全体の形状は図１に示したアンテナ装置１０１と同じである。

筒状導体（金属筐体）１の内部には回路基板４が収められている。回路基板４の上面にはコイルアンテナ２が実装されている。回路基板４の下面にはMicro USBのコネクタ５が実装されている。また、回路基板４の上部には電源としてのバッテリ６が配置されている。図１０には表れていないが、回路基板４には、コイルアンテナ２に接続されるRFICおよび共振周波数設定用チップキャパシタが実装されている。RFICはＮＦＣやFeliCa（登録商標）などのHF帯RFIDシステムで使用されるものである。このRFICおよび共振周波数設定用チップキャパシタは本発明に係る「給電回路」の例である。回路基板４には更にBluetooth（登録商標）で通信を行うための通信回路が設けられている。

各種部品が実装された回路基板４およびバッテリ６と筒状導体１の内面との間には樹脂部材が設けされていて、回路基板４およびバッテリ６は筒状導体１に対して樹脂部材を介して緩衝保持されている。

電子機器２０１は、コイルアンテナ２を用いてＮＦＣで通信を行う。本実施形態では、電子機器２０１は例えばBluetooth（登録商標）でデジタル音声データを受信するヘッドセットコントローラであり、ＮＦＣを用いてBluetooth（登録商標）のペアリングを行う。上記コネクタ５はバッテリ６の充電用に用いられる。

このように筒状導体１を電子機器２０１の金属筐体として用いることにより、薄い筐体を用いて小型化でき、デザイン性も高めることができる。

なお、電子機器としては、例えば、スマートフォンやフィーチャーフォン等の携帯電話、スマートウォッチやスマートグラス等のウェアラブル端末、ノートＰＣ、タブレット端末、カメラ、ゲーム機、玩具等が挙げられる。

なお、筒状導体の形状は角筒状に限らず、円筒状、楕円筒状、多角形の筒状等であっても同様に適用できる。

また、スリットは直線状に延伸しているものに限らず、筒の軸方向に対して非平行であってもよい。また、スリットは直線状ではなく曲線状であってもよい。また、スリットは途中で屈曲する形状であってもよい。また、スリットは複数あってもよい。また、コイルアンテナは複数あってもよい。

なお、上述の実施形態では、主にＮＦＣ等の磁界結合を利用した通信システムにおけるアンテナ装置および電子機器を説明したが、上述の実施形態におけるアンテナ装置および電子機器は、磁界結合を利用した非接触電力伝送システム（電磁誘導方式、磁界共鳴方式）でも同様に用いることができる。例えば、上述の実施形態におけるアンテナ装置は、ＨＦ帯、特に6.78MHzまたは6.78MHz近傍の周波数で使用される磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムの受電装置に受電アンテナ装置としてや、送電装置に送電アンテナ装置として適用できる。この場合でも、アンテナ装置は受電アンテナ装置や送電アンテナ装置として機能する。非接触電力伝送システムにおいて、アンテナ装置のコイルアンテナが有するコイル導体の両端は、使用周波数帯（ＨＦ帯、特に6.78MHz近傍）を操作する受電回路や送電回路に接続される。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。例えば、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＡＸ…巻回軸
Ｏ…中心点
１…筒状導体（導体）
１Ａ…開口部
１Ｐ…筒状導体
１Ｓ…スリット
２…コイルアンテナ
３…通信相手側アンテナ
４…回路基板
５…コネクタ
６…バッテリ
７…操作部
１１…第１開口
１２…第２開口
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ…基材層
２１，２２，２７…実装用電極
２３，２４…コイル導体
２６…層間接続導体
１０１，１０１Ａ，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０３Ａ，１０３Ｂ…アンテナ装置
２０１…電子機器

Claims (9)

1. 中実の磁性体コアと、ヘリカル状に巻回された形状のコイル導体とを有するコイルアンテナと、
   バッテリと、
   前記コイルアンテナおよび前記バッテリを囲む導体と、
   を備え、
   前記導体は、第１開口、第２開口および側面を有し、前記コイルアンテナの前記コイル導体の巻回軸方向を実質的な軸方向とする、内部が空洞の筒状をなし、
   前記導体は、前記側面に前記第１開口から軸方向に延伸するスリットを有し、前記バッテリは前記側面と前記コイルアンテナとの間に配置されることを特徴とする、アンテナ装置。
2. 前記コイルアンテナの位置は、前記導体の前記軸方向における中心に対して前記第１開口の方向へオフセットしている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 平面視で、前記スリットは前記コイルアンテナの位置より前記第２開口の方向へ更に延伸している、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記スリットは前記第１開口から前記第２開口まで連通している、請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記導体は、内部に前記コイルアンテナ以外の回路または部材を収納する筐体である、請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記磁性体コアは、前記第１開口の平面視で、前記第１開口より小さく、前記第１開口の中央または中央からオフセットされた位置に配置可能な大きさである、請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記導体の前記内部に回路基板が収納されており、
   前記コイルアンテナは前記回路基板に実装されている、請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記コイルアンテナは、前記コイル導体の巻回軸方向から見て前記バッテリと前記回路基板との間に位置する、請求項７に記載のアンテナ装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記コイルアンテナに接続される給電回路とを備える、電子機器。

Images