JP6070163B2

JP6070163B2 - アンテナ装置および通信装置

Info

Publication number: JP6070163B2
Application number: JP2012278787A
Authority: JP
Inventors: 加藤　登; 登加藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014123858A

Description

本発明はＲＦＩＤシステムや近距離無線通信システムに用いられるアンテナ装置およびそれを備えた通信装置に関するものである。

携帯端末に実装されているＮＦＣ（Near Field Communication）などの１３．５６ＭＨｚ帯のＲＦＩＤにおいては、ＲＦＩＤ用ＩＣチップや整合素子は主に回路基板に実装され、アンテナは樹脂製の端末筺体の内側に貼り付けられ、ＲＦＩＤ用ＩＣチップとアンテナとはスプリングピンなどを介して直流的に接続されるのが一般的である。

一方、最近の携帯電話端末などの無線通信装置は薄型化が進められ、薄型化による強度不足に対応するために樹脂筐体にマグネシウムメッキ加工を施したり、金属筐体を用いたりして、筐体の「金属化」によって強度を補う場合が増えてきている。

しかし筐体を「金属化」した場合、端末に内蔵するアンテナが金属によって遮蔽されるため、相手側装置との通信ができなくなる問題が生じる。

そこで、特許文献１や特許文献２のようにアンテナコイルに対し、アンテナコイルよりも広い面積の金属板をアンテナコイルに近接（磁界結合）させて、金属板を放射体として使用する構造のアンテナ装置が提案されている。

特開２０１１−９７６５７号公報特開２０１１−２４９９３５号公報

しかしながら、特許文献１，２では金属板にスリットを形成しているため、金属板が無線通信装置の筐体の一部となっている場合、スリットが露出することで、意匠上の制約が生じる（美観が損なわれる）といった問題がある。

そこで、本発明の目的は、金属筐体を用いることで強度を保ちつつ、美観を損ねることのないアンテナ装置およびそれを備えた通信装置を提供することにある。

本発明に係るアンテナ装置は、厚み方向に貫通した切欠き部が外縁部から内側に向かって形成された金属筐体と、前記切欠き部に磁束が通ることで前記金属筐体と磁界結合するコイルアンテナと、を備え、前記金属筐体は、前記切欠き部を挟んで対向した第１の突出部および第２の突出部を有し、前記第１の突出部は、前記厚み方向に沿った一の直線に対し交差する第１の面を有し、前記第２の突出部は、前記一の直線に対し交差し、かつ、第１の面と対向する第２の面を有することを特徴とする。

この構成では、金属筐体をアンテナ装置の放射板として作用させることができ、この金属筐体に形成された切欠き部を厚み方向から視た場合、第１の突出部の第１の面および第２の突出部の第２の面によって、切欠き部を通じて金属筐体の反対側を見えなくすることができる。換言すれば、切欠き部を厚み方向から視た場合、切欠き部には、第１の面（または第２の面）が視えるため、金属筐体における切欠き部の境界を分かり難くすることができ、外観が損なわれるおそれを低減できる。

前記第１の面および前記第２の面は、前記一の直線に対して傾斜し、互いに対向している構成でもよい。

この構成では切欠き部の形成が容易となる。また、第１の面および第２の面が一の直線に対して平行である場合の切欠き部に形成されるキャパシタよりも大きくできるため、アンテナ装置の共振周波数の上昇を抑えることができる。すなわち、切り欠き部のキャパシタと金属筐体のインダクタンスによる共振周波数が低下し、使用周波数（１３．５６ＭＨz）に近づく。その結果、相手側アンテナと結合しやすくなるので良好なアンテナ特性を得ることができる（コイルアンテナによる共振と金属筐体による共振がある）。

前記第１の面および前記第２の面は、前記一の直線に対して直交し、一部が互いに対向している構成でもよい。

この構成では、第１の面および第２の面が一の直線に対して平行である場合の切欠き部に形成されるキャパシタよりも大きくできるため、アンテナ装置の共振周波数の上昇を抑えることができる。

前記第１の面および前記第２の面の間に設けられた絶縁体を備えている構成が好ましい。

この構成では、切欠き部の空間に絶縁体が充填されるため、切欠き部の形成による強度低下を抑制できる。

前記コイルアンテナは、絶縁体層に形成されたコイル導体を有し、前記コイル導体のコイル開口が前記厚み方向から視て前記開口に対し少なくとも一部と重なる位置に配置されている構成でもよい。

この構成では、アンテナ装置の薄型化を実現できる。

前記切欠き部は、開口と、前記開口および前記外縁部を繋ぐスリットと、を有し、前記第１の面および前記第２の面は前記スリットに沿って対向し、前記コイルアンテナは、前記コイル導体のコイル開口が前記厚み方向から視て前記開口に対し少なくとも一部と重なる位置に配置されている構成でもよい。

この構成では、例えば、アンテナ装置を携帯電話機などに用いた場合、カメラモジュール部分等の既存の開口を利用することで、携帯電話機の金属筐体を磁界信号の放射板として作用させることができる。

前記コイルアンテナは、コイル導体が形成された複数の絶縁体層が積層された積層構造であり、コイル開口を前記切欠き部に向けて配置されている構成でもよい。

この構成では、コイルアンテナの巻回軸が金属筐体の平面に対して垂直でなくても、巻回軸の延長方向に切り欠き部を配置することによって、金属筐体を放射板として作用させることができる。

本発明によれば、強度を上げるために筐体を金属化し、その金属筐体に切欠き部を設けてその金属筐体とコイルアンテナとを磁界結合させることによって金属筐体を放射板として作用させることができる。この金属筐体における切欠き部の境界を分かり難くすることができ、外観が損なわれるおそれを低減できる。

図１は実施形態１に係るアンテナ装置の斜視図である。図２はアンテナ装置の平面図および側面図である。図３は、実施形態１に係るアンテナ装置を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図である。図４は実施形態１に係るアンテナ装置の変形例であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面断面図である。図５は実施形態２に係るアンテナ装置の斜視図である。図６はアンテナ装置の平面図および側面図である。図７は実施形態３に係るアンテナ装置の分解斜視図である。図８はアンテナ装置の平面図および側面図である。図９は実施形態３に係るアンテナ装置の変形例を示す図である。図１０（Ａ）は実施形態４に係るアンテナ装置の斜視図、図１０（Ｂ）はアンテナ装置の側面図である。

（実施形態１）
図１は実施形態１に係るアンテナ装置の斜視図である。図２はアンテナ装置の平面図および側面図である。アンテナ装置１は、ＨＦ帯（１３．５６ＭＨｚ帯）の高周波信号をキャリア周波数とするアンテナ装置であり、ＮＦＣシステムに用いられるリーダライタ用として構成されている。アンテナ装置１は面状導体１０とコイルアンテナ２０とを備えている。

面状導体１０は、例えばアンテナ装置１が搭載される通信装置の金属筐体の一部である。面状導体１０には外縁の一部から内部へ延びるスリット（切欠き部）１１と、スリット１１に接続される開口（切欠き部）１２が形成されている。すなわち、開口１２はスリット１１により外縁と繋がっている。

スリット１１は面状導体１０の厚み方向に貫通した直線状の切欠きである。外縁の一部から開口１２までのスリット１１に沿った面状導体１０の部分は、本発明の第１の突出部および第２の突出部に相当する。この第１の突出部は第１の面１１１を有し、第２の突出部は第２の面１１２を有している。

第１の面１１１および第２の面１１２は、面状導体１０の厚み方向に沿った一の直線に対して傾斜し、かつ、互いに対向している。より詳しくは、図２に示すように、平面視した場合に、スリット１１全体に亘って第１の面１１１が視えるように、第１の面１１１および第２の面１１２は傾斜している。この構成により、平面視した場合にスリット１１と面状導体１０との境界が視認し難くなる。

コイルアンテナ２０は、不図示の絶縁体基材の一面に矩形渦巻状にコイルパターンが形成されている。コイルアンテナ２０は、開口１２よりも大きいコイル開口を有し、コイル開口が開口１２と重なるように面状導体１０に近接配置されている。このコイルアンテナ２０には、ＨＦ帯の信号を給電する給電回路としてのＲＦＩＣ（不図示）が接続されている。なお、コイルアンテナ２０は、コイル開口内に開口１２が収まるように配置されてもよいし、コイル開口の一部が開口１２と重なるように配置されていてもよい。また、図４に示すように、コイルアンテナ２０の背面に、開口１５Ａを形成したフェライト磁性体１５を配置することで、アンテナコイルのＱ特性を向上させてもよい。図４は実施形態１に係るアンテナ装置の変形例であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面断面図である。開口１５Ａは、コイルアンテナ１２のコイル開口および面状導体の開口１２とほぼ同じ形状および大きさである。絶縁体基材の一面に矩形渦巻状にコイルパターンが形成したコイルアンテナ２０を面状導体１０に近接配置することで、アンテナ装置１の薄型化が可能となる。

以上の構成のアンテナ装置１において、図２に示す破線矢印方向にコイルアンテナ２０に電流が流れると、図１に示す磁束φ１が生じる。この磁束φ１が開口１２を通り、コイルアンテナ２０と面状導体１０とが磁界結合する。この結果、面状導体１０には電流が誘導され、図１および図２の実線矢印方向に示すように、縁端効果によって面状導体１０の主に端縁に沿って流れ、面状導体１０からは磁束φ２が生じる。これにより、面状導体１０がアンテナ装置１の放射板として作用する。

このアンテナ装置１では、面状導体１０のインダクタンスと、スリット１１のキャパシタンス、具体的には第１の面１１１および第２の面１１２との間に形成されるキャパシタンスとで、ＬＣ共振回路が構成される。アンテナ装置１のインダクタンスは、スリット１１の長さや幅によって変わる。例えば第１の面１１１と第２の面１１２との対向面積を大きくすることで、スリット１１におけるキャパシタンスが大きくなる。第１の面１１１と第２の面１１２とは厚み方向に対し傾斜している。したがって、第１の面１１１と第２の面１１２との間に形成されるキャパシタンスＣ１は、仮に第１の面１１１および第２の面１１２が厚み方向に平行である場合の第１の面１１１および第２の面１１２の間に形成されるキャパシタンスＣ２と比べて大きい（Ｃ１＞Ｃ２）。この結果、ＬＣ共振回路による共振周波数を低くすることができるため、ＨＦ帯に必要なキャパシタンスを確保することができる。この共振周波数を携帯電話のセルラー周波数（例えば８００ＭＨz）より低くすることで、スリット１１が高周波でショートして見えるので、また、コイルアンテナ２０の背面にフェライト磁性体を配置した場合には、コイルアンテナ２０の背面につけたフェライトコイルには高周波電流が流れなくなる。これにより、セルラーアンテナ等の通信品質の劣化を防ぐことができる。

図３は、実施形態１に係るアンテナ装置１を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図である。図３では、無線通信装置１００の上部筐体９１と下部筐体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。この例では、下部筐体９２は樹脂製であり、強度の強化のため一部を面状導体１０としてあるが、ＵＨＦ帯アンテナの放射を妨げない箇所において全部が金属化されていてもよい。

筐体９１の内部には回路基板７１，８１、バッテリーパック８３等が収められている。回路基板７１には通信回路を備えたＲＦＩＣ３等が実装されている。この回路基板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、回路基板８１にはＵＨＦ帯アンテナ８２等が搭載されている。回路基板７１と回路基板８１とは同軸ケーブル８４を介して接続されている。

下部筐体９２の面状導体１０にはスリット１１および開口１２が形成されている。なお、図３では開口１２は円形状としてある。開口１２には、接続ピン３１を介してＲＦＩＣ３が接続されたコイルアンテナ２０が近接配置されている。また、開口１２には、カメラモジュール７６のレンズが光学的に露出するように配置されている。

このように、筐体の一部である面状導体１０をアンテナ装置１の放射板として機能させることができる。さらに、放射板として機能させるために形成したスリット１１は、第１の面１１１および第２の面１１２により、面状導体１０の他の部分との境界が分かり難いため、無線通信装置１００の外観を損ねることがない。

また、開口１２は、無線通信装置１００のカメラモジュール７６に用いるためのものであり、その開口１２を利用することで、面状導体１０に別途開口を形成する必要がない。すなわち、既存の構造を利用することで、無線通信装置１００の金属筐体を放射板として作用させることができる。

（実施形態２）
図５は実施形態２に係るアンテナ装置の斜視図である。図６はアンテナ装置の平面図および側面図である。以下の説明では、実施形態１と部材については同じ符号を付して説明は省略し、実施形態１との相違点についてのみ説明する。

アンテナ装置１Ａは面状導体１０Ａおよびコイルアンテナ２０を備えている。面状導体１０Ａにはスリット１１が形成されている。面状導体１０Ａは、厚み方向に沿った一の直線に対して傾斜し、互いに対向する第１の面１１１および第２の面１１２を有し、第１の面１１１および第２の面１１２の間にスリット１１が形成されている。スリット１１は、実施形態１と同様、第１の面１１１により、面状導体１０Ａとの境界が視認し難く、外観を損なうことを抑制できる。なお、スリット１１の長さや幅は、アンテナ装置１Ａの共振周波数に合わせて適宜変更される。

コイルアンテナ２０は、コイル開口がスリット１１と重なる位置に配置されている。第１の面１１１および第２の面１１２は、所定距離を隔ててスリット１１を挟んで対向している。すなわち、実施形態１では面状導体に開口が形成されているが、実施形態２では開口が形成されていない。したがって、放射板として機能させる面状導体１０Ａの製造が簡易となり、また、強度の低下を抑制できる。このアンテナ装置１Ａを無線通信装置に用いることで、外観を損なうことなく、金属筐体により強度を向上させることができる。

なお、放射板として機能する面状導体１０Ａの誘導電流、磁束などについては、実施形態と同じであるため説明は省略する。

実施形態２では、実施形態１と異なり開口１２を形成する必要がないため、面状導体１０Ａの製造が簡易となる。また、開口を形成しないため、面状導体１０Ａの強度低下をより抑制することができる。

（実施形態３）
図７は実施形態３に係るアンテナ装置の分解斜視図である。図８はアンテナ装置の平面図および側面図である。アンテナ装置１Ｂは面状導体１０Ｂおよびコイルアンテナ２０を備えている。

面状導体１０Ｂは、複数の金属板１０Ｂ１，１０Ｂ２，１０Ｂ３が積層されている。金属板１０Ｂ１には、矩形状の開口１２１、および、開口１２１と外縁とを接続するスリット１３１が形成されている。金属板１０Ｂ２には矩形状の切欠き１３２が形成されている。金属板１０Ｂ３には、矩形状の開口１２２、および、開口１２２と外縁とを接続するスリット１３３が形成されている。

開口１２１と、切欠き１３２と、開口１２２とはそれぞれ同じ幅を有していて、金属板１０Ｂ１，１０Ｂ２，１０Ｂ３が積層されることで、一つの開口１２を形成している。コイルアンテナ２０は、コイル導体が開口１２と重なるように面状導体１０Ｂに近接している。

また、スリット１３１とスリット１３３とは、図８の側面図に示すように、互いに反対側に位置している。そして、スリット１３１およびスリット１３３は切欠き１３２により連通している。これにより、スリット１３は、面状導体１０Ｂの厚み方向の経路と、厚み方向に水平な経路とを有している。この構成により、平面視において、スリット１３からは金属板１０Ｂ３が視認されるため、スリット１３は、実施形態１，２と同様、面状導体１０Ｂとの境界が視認し難く、外観を損なうことを抑制できる。なお、金属板１０Ｂ１，１０Ｂ２における切欠き１３２に接する面が、本発明に係る第１の面および第２の面に相当する。

このアンテナ装置１Ｂを無線通信装置に用いることで、外観を損なうことなく、金属筐体により強度を向上させることができる。また、面状導体１０Ｂの厚み方向におけるスリット１３の長さが長いため、スリット１３に形成されるキャパシタンスが大きくなり、ＨＦ帯に必要なキャパシタンスを確保することができる。

図９は実施形態３に係るアンテナ装置の変形例を示す図である。図９に示すように、金属板１０Ｂ１，１０Ｂ３で挟まれる切欠き１３２の位置に絶縁体１４を配置して、スリットの形状を安定化させ、かつ、面状導体１０Ｂの強度を高めるようにしてもよい。この絶縁体１４はゴム、樹脂等である。絶縁体１４をスリット１３に設けることで、スリット１３におけるキャパシタンスを高くすることができ、ＨＦ帯に必要なキャパシタンスを確保することができる。

なお、絶縁体１４に代えて、スリット１３全体に金属酸化膜微粒子、例えば酸化アルミニウムを充填してもよい。面状導体１０Ｂがアルミニウムである場合、絶縁体１４を酸化アルミニウムとすることで、平面視した場合のスリット１３をより分かり難くすることができる。また、絶縁体としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの透明樹脂を用いてもよい。

（実施形態４）
図１０（Ａ）は実施形態４に係るアンテナ装置の斜視図、図１０（Ｂ）はアンテナ装置の側面図である。アンテナ装置１Ｃは面状導体１０Ｃおよびコイルアンテナ３０を備えている。実施形態４に係るコイルアンテナ３０は、磁性体コアとコイル導体とで構成されていて、コイル導体は磁性体コアの周囲を巻回するようなパターンに形成されている。コイル導体は磁性体コアに巻回された導線であってもよいし、磁性体層を含む積層体に導体パターンで形成されていてもよい。コイルアンテナ３０には給電回路であるＲＦＩＣが接続される。

面状導体１０Ｃは、図５で説明した面状導体１０Ａと同様の構成であって、スリット１１の幅、すなわち、第１の面１１１と第２の面１１２との間の距離は面状導体１０Ａよりも細い。コイルアンテナ３０は、面状導体１０Ｃの下面に配置されている。このとき、コイルアンテナ３０はコイル導体の巻回軸が面状導体１０Ｃに対して平行となるようにスリット１１のほうを向いてスリット１１に近接配置されている。また、コイルアンテナ３０は、コイル開口がスリット１１の方を向くように配置されている。

上述のようにコイルアンテナ３０を配置することで、図１０（Ｂ）に示したように、コイルアンテナ３０から生じる磁束φ３がスリット１１を通り、実施形態１で説明したように、面状導体１０Ｃとコイルアンテナ３０とが磁界結合する。このように、コイルアンテナ３０がチップ部品であっても、面状導体１０Ｃを放射板として作用させることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ−アンテナ装置
１０，１０Ａ．１０Ｂ，１０Ｃ−面状導体（金属筐体）
１１，１３−スリット
１２−開口
１４−絶縁体
２０，３０−コイルアンテナ
１１１−第１の面
１１２−第２の面

Claims

厚み方向に貫通した切欠き部が外縁部から内側に向かって形成された金属筐体と、
前記切欠き部に磁束が通ることで前記金属筐体と磁界結合するコイルアンテナと、
を備え、
前記金属筐体は、前記切欠き部を挟んで対向した第１の突出部および第２の突出部を有し、
前記第１の突出部は、前記厚み方向に沿った一の直線に対し交差する第１の面を有し、
前記第２の突出部は、前記一の直線に対し交差し、かつ、第１の面と対向する第２の面を有する、
アンテナ装置。
前記第１の面および前記第２の面は、前記一の直線に対して傾斜し、互いに対向している、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１の面および前記第２の面は、前記一の直線に対して直交し、一部が互いに対向している、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１の面および前記第２の面の間に設けられた絶縁体を備えている、請求項１から３の何れかに記載のアンテナ装置。
前記コイルアンテナは、
絶縁体層に形成されたコイル導体を有し、前記切欠き部は、スリットおよびスリットに接続される開口を有し、前記コイル導体のコイル開口が前記厚み方向から視て前記スリットに接続される開口に対し少なくとも一部と重なる位置に配置されている、
請求項１から４の何れかに記載のアンテナ装置。
前記第１の面および前記第２の面は前記スリットに沿って対向し、
前記コイルアンテナは、
前記コイル導体のコイル開口が前記厚み方向から視て前記スリットに接続される開口に対し少なくとも一部と重なる位置に配置されている、
請求項５に記載のアンテナ装置。
前記コイルアンテナは、
コイル導体が形成された複数の絶縁体層が積層された積層構造であり、コイル開口を前記切欠き部に向けて配置されている、
請求項１から６の何れかに記載のアンテナ装置。
請求項１から７の何れかに記載のアンテナ装置を備え、前記金属筐体を外装としている、
通信端末装置。