TW201526384A - 天線裝置及電子機器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種天線裝置及電子機器，無論攜帶機器的內部構造或與其他零件的關係等如何，均能有效地利用金屬板的磁屏蔽效果而謀求殼體小型化及通訊穩定化。上述天線裝置包括天線線圈(12)，該天線線圈(12)位於設置在電子機器的具有磁屏蔽功能的外殼(110)的開口部(111)的端部，且配置於上述外殼(110)的內壁面。

Description

天線裝置及電子機器

本發明是有關於一種被組裝至電子機器中且經由電磁場訊號與外部機器進行通訊的天線(antenna)裝置、及組裝有該天線裝置的電子機器。

先前，為了於行動電話、智慧型手機(smart phone)、平板個人電腦(tablet personal computer)等電子機器中搭載近距離非接觸通訊的功能，而使用無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)用的天線模組(antenna module)。

該天線模組是利用電感耦合與搭載於讀寫器(reader writer)等發送器的天線線圈(antenna coil)進行通訊。即，該天線裝置是由天線線圈接收來自讀寫器的磁場，藉此，將該磁場轉換為電力而可驅動作為通訊處理部發揮功能的積體電路(Integrated Circuit，IC)。

天線模組為了確實地進行通訊，而必須由天線線圈接收來自讀寫器的大於等於某個值的磁通。為此，於先前例的天線裝置中，在行動電話的殼體設置環形線圈(loop coil)，利用該線圈接收來自讀寫器的磁通。

組裝至行動電話等電子機器的天線模組中，因機器內部的基板或電池組(battery pack)等金屬受到來自讀寫器的磁場而產生渦電流，由此使來自讀寫器的磁通反彈。例如，若以行動電話的殼體表面來考慮，則來自讀寫器的磁場有於殼體表面的外周部分變強，於殼體表面的正中間附近減弱的傾向。

在使用普通的環形線圈的天線的情況下，環形線圈位於其開口部幾乎無法接收通過上述殼體表面的外周部分的磁場的行動電話的中央部分。因此，於使用普通的環形線圈的天線中，接收磁場的效率變差。

因此，提出有來自讀寫器的磁場強且於殼體表面的外周部分配置環形天線的天線裝置，或者進而使用磁性片(sheet)增加磁通而提高性能的天線裝置。該些天線裝置中，將環形天線的形狀設為長方形，且以其長邊沿著殼體表面的外周端的方式設置(例如，參照專利文獻1至專利文獻3)。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利4883125號公報

[專利文獻2]日本專利4894945號公報

[專利文獻3]日本專利5135450號公報

作為利用金屬的磁場屏蔽(shield)效果而提高效率的天線裝置，本案申請人於例如日本專利特願2013-021616中提出 有如下一種天線裝置，其包括：第1金屬板，設置於電子機器的殼體內部，且與外部機器對向；天線線圈，設置於電子機器的殼體內部，且與外部機器電感耦合；以及片狀的第2金屬箔，設置於電子機器的殼體內部，與第1金屬板重疊或接觸，並且至少一部分與天線線圈的與外部機器對向的面為相反側的面重疊。

於如此般利用金屬的磁場屏蔽效果而提高效率的天線裝置中，藉由在靠近金屬板的端部的位置安裝配置天線線圈，而能夠利用金屬的磁場屏蔽效果提高效率，從而天線線圈的安裝配置位置變得重要。

然而，於攜帶機器的內部構造上，多數情況下金屬板的端部與攜帶機器本身的端部一致，就與其他零件的關係而言存在無法確保天線線圈的安裝位置的問題。

因此，本發明是鑒於如上所述的先前問題而完成的，其目的在於提供一種天線裝置及電子機器，無論攜帶機器的內部構造或與其他零件的關係等如何，均可有效地利用金屬板的磁屏蔽效果而謀求殼體小型化及通訊穩定化。

本發明的其他目的、藉由本發明而獲得的具體優點根據以下所說明的實施方式的說明而進一步明確。

本發明是一種天線裝置，被組裝至電子機器中，經由電磁場訊號與外部機器進行通訊，其特徵在於：包括天線線圈，該天線線圈位於設置在上述電子機器的具有磁屏蔽功能的外殼(cover)的開口部的端部，且配置於上述外殼的內壁面。

而且，本發明是一種電子機器，組裝有經由電磁場訊號 與外部機器進行通訊的天線裝置，其特徵在於包括：外殼，設置有開口部且具有磁屏蔽功能；天線裝置，包括位於上述開口部的端部且配置於上述外殼的內壁面的天線線圈；以及通訊處理部，與上述外部機器之間進行通訊。

本發明的電子機器中可設置有狹縫(slit)，該狹縫遮斷由上述外殼的圍繞上述開口部的部分形成的閉合迴路(closed loop)。

本發明的電子機器中，上述外殼可包含例如具有磁屏蔽功能的金屬。

另外，本發明的電子機器中，上述外殼可貼附例如具有磁屏蔽功能的金屬片而成。

1‧‧‧天線裝置

2‧‧‧天線模組

3、137‧‧‧金屬板

3a‧‧‧金屬板3的端部

4‧‧‧金屬箔

11‧‧‧天線基板

11a‧‧‧其中一側部

11b‧‧‧另一側部

12‧‧‧天線線圈

12a‧‧‧中心部

13‧‧‧通訊處理部

14‧‧‧端子部

20、20a、20b‧‧‧磁性片

21A、21B‧‧‧環形天線、無線通訊系統

100‧‧‧無線通訊系統

110‧‧‧外殼

110A‧‧‧端部

110B‧‧‧狹縫

111‧‧‧開口部

120‧‧‧讀寫器

121‧‧‧天線

122‧‧‧控制基板

130、133‧‧‧智慧型手機

131‧‧‧殼體

132‧‧‧金屬外殼

134‧‧‧電池組

135‧‧‧金屬殼體

136‧‧‧平板PC

141‧‧‧外殼體

141a‧‧‧內周壁

142‧‧‧空間

H‧‧‧磁場

X、Y、Z‧‧‧方向

圖1是表示應用本發明的無線通訊系統(system)的概略構成的立體圖。

圖2是表示無線通訊系統中的天線基板及金屬板的立體圖。

圖3是表示無線通訊系統中的電子機器的內部的一例的立體圖，且表示使用貼附於殼體內部的金屬外殼(metal cover)作為第1導電體的情況。

圖4是表示無線通訊系統中的電子機器的內部的一例的立體圖，且表示使用電池組的金屬殼體作為第1導電體的情況。

圖5是表示無線通訊系統中的電子機器的內部的一例的立體圖，且表示使用設置於液晶模組背面的金屬板作為第1導電體的 情況。

圖6(A)、圖6(B)是表示組裝至電子機器內的天線裝置的圖，圖6(A)是立體圖，圖6(B)是側視圖。

圖7是表示將金屬箔與天線基板的其中一側遍及整個長邊方向重疊的狀態的立體圖。

圖8是以示意的方式表示應用本發明的天線裝置的構成例的立體圖。

圖9是以示意的方式表示上述天線裝置的主要構成的縱剖側視圖。

圖10(A)是上述天線裝置中，以與天線線圈的其中一側部對向的方式配置磁片的狀態的剖面圖，圖10(B)是上述天線裝置中，以與天線線圈的另一側部對向的方式配置磁片的狀態的剖面圖。

圖11(A)、圖11(B)是以示意的方式表示上述天線裝置的變形例的圖，圖11(A)是立體圖，圖11(B)是俯視圖。

以下，一面參照圖式一面對用以實施本發明的方式詳細地進行說明。此外，當然本發明並不僅限定於以下實施方式，可於不脫離本發明的主旨的範圍內進行各種變更。另外，圖式是示意性的圖式，存在各尺寸的比率等與實物不同的情況。具體的尺寸等應參考以下的說明而判斷。另外，當然在圖式相互間亦包含相互的尺寸的關係或比率不同的部分。

應用本發明的天線裝置是被組裝至電子機器中且經由 電磁場訊號與外部機器進行通訊的裝置，例如被組裝至如圖1所示的無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)用的無線通訊系統100中而使用。

無線通訊系統100包含天線裝置1、以及對天線裝置1進行存取(access)的讀寫器120。此處，天線裝置1與讀寫器120是以於三維正交座標系統XYZ的XY平面內相互對向的方式配置。

讀寫器120作為發送器發揮功能，該發送器對在XY平面內與該讀寫器120相互對向的天線裝置1沿Z軸方向發送磁場，具體而言，該讀寫器120包括朝向天線裝置1發送磁場的天線121、以及經由天線121與經電感耦合的天線裝置1進行通訊的控制基板122。

即，讀寫器120配設有與天線121電性連接的控制基板122。於該控制基板122安裝有包含一個或多個積體電路晶片(chip)等電子零件的控制電路。該控制電路基於自天線裝置1接收到的資料(data)而執行各種處理。例如，控制電路在對天線裝置1發送資料的情況下，對資料進行編碼，基於編碼後的資料調變規定頻率(例如13.56MHz)的載波，並將調變後的調變訊號放大，以經放大的調變訊號驅動天線121。另外，控制電路在自天線裝置1讀出資料的情況下，將由天線121接收到的資料的調變訊號放大，將放大後的資料的調變訊號解調，並將解調後資料解碼。此外，於控制電路中，使用普通讀寫器中所使用的編碼方式及調變方式，例如使用曼徹斯特(Manchester)編碼方式或振幅移位鍵控(Amplitude Shift Keying，ASK)調變方式。

此外，以下雖對上述無線通訊系統100中的天線裝置等進行說明，但當然對於Qi(氣)(國際無線充電標準)等非接觸充電系統亦可同樣地應用。

天線裝置1以於通訊時與讀寫器120在XY平面內對向的方式配置且被組裝至行動電話等電子機器的殼體的內部。天線裝置1包括：天線模組2，被組裝至電子機器的殼體的內部，且與經電感耦合的讀寫器120之間進行通訊；金屬板3，設置於電子機器的殼體內，成為與讀寫器120對向的第1導電體；以及金屬箔4，成為片狀的第2導電體，設置於電子機器的殼體內，與金屬板3重疊或接觸，並且至少一部分與天線模組2的環形天線11的與讀寫器120對向的面為相反側的面重疊。

天線模組2包括：環形天線11，能夠與經電感耦合的讀寫器120之間進行通訊；以及通訊處理部13，藉由流至環形天線11的電流驅動，且與讀寫器120之間進行通訊。

與環形天線11安裝有天線線圈12以及端子部14，該天線線圈12是藉由對例如軟性扁平電纜(flexible flat cable)等可撓性的導線進行圖案化(patterning)處理等而形成，該端子部14將天線線圈12與通訊處理部13電性連接。

此處，環形天線11如圖2所示般呈大致矩形狀，且沿著外形環繞有天線線圈12的一條導線，以此基本構造對天線裝置1的構成進行說明。

環形天線11是以如下方式配置：供天線線圈12環繞的主面於通訊時與讀寫器120在XY面內對向。另外，環形天線11以天線線圈12的中心部12a為界而具有環形天線11的其中一側 部11a以及環形天線11的另一側部11b，該環形天線11的其中一側部11a是針對天線線圈12的導線，將沿著長邊方向的電流的流向朝同一方向流動的方向設為環繞方向，該環形天線11的另一側部11b是針對天線線圈12的導線，將沿著長邊方向的電流的流向朝反方向流動設為環繞方向。而且，環形天線11將沿著長邊方向的一側緣朝向金屬板3側，即，將其中一側部11a或另一側部11b朝向金屬板3側配置。

環形天線11若受到自讀寫器120發送的磁場，則藉由電感耦合與讀寫器120磁性耦合，接收經調變的電磁波，並經由端子部將接收訊號供給至通訊處理部13。

通訊處理部13藉由流至環形天線11的電流而驅動，與讀寫器120之間進行通訊。具體而言，通訊處理部13將接收到的調變訊號解調，且將解調後的資料解碼，並將解碼後的資料寫入至該通訊處理部13所具有的內部記憶體(memory)。另外，通訊處理部13自內部記憶體讀出發送至讀寫器120的資料，對讀出的資料進行編碼，基於編碼後的資料調變載波，且經由藉由電感耦合而磁性耦合的環形天線11將經調變的電波發送至讀寫器120。

此外，通訊處理部13亦可不藉由流至環形天線11的電力驅動，而是藉由自組裝至電子機器內的電池組或外部電源等電力供給單元供給的電力而驅動。

金屬板3設置於例如行動電話或智慧型手機、或者平板PC等電子機器的殼體內，且構成於天線模組2的通訊時與讀寫器120對向的第1導電體。該第1導電體相當於例如貼附於圖3所示的智慧型手機130的殼體131的內表面的金屬外殼132、或收納於 圖4所示的智慧型手機133內的電池組134的金屬殼體135、或者設置於圖5所示的平板PC136的液晶模組的背面的金屬板137等。以下，主要將智慧型手機133作為電子機器之例，將收納於該智慧型手機133的電池組134的金屬殼體135中在通訊時與讀寫器120對向的主面作為構成第1導電體的金屬板3進行說明。

天線模組2的環形天線11於組裝至智慧型手機133時，就謀求該智慧型手機133的小型化並且實現與讀寫器120之間良好的通訊特性的觀點而言，配置於如圖6(A)所示的三維正交座標系統XYZ的XY平面上且例如設置於智慧型手機133的外殼體141內部的電池組134與外殼體141的內周壁141a的空間142。具體而言，環形天線11配置於如圖6(B)所示的電池組134的金屬殼體135的與讀寫器120對向的金屬板3的端部3a、與外殼體141的內周壁141a之間。

此處，如圖6(B)的剖面圖所示，構成配置於智慧型手機133的電池組134的金屬殼體的金屬板3由於使電相對較佳地流通，故而若自外部施加交流磁場，則會產生渦電流，而反彈磁場。若調查此種自外部施加交流磁場時的磁場分佈，則具有與讀寫器120對向的電池組134的金屬板3的端部3a的磁場強的特性。

為了利用此種智慧型手機130的殼體131內部的磁場強度的特性實現良好的通訊特性，例如，如圖2所示，使與Z軸平行的中心部12a通過金屬板3的端部3a與外殼體141的內周壁141a的空間142，將長邊方向的一側緣朝向金屬板3的端部3a側，即，將其中一側部11a朝向金屬板3的端部3a側而配置。

此時，環形天線11亦可設置於不與金屬板3的端部3a接觸而與其相隔的位置。如此，天線裝置1即便在因電子機器的殼體內的佈局(layout)上的制約而將金屬板3與環形天線11隔開配置的情況下，亦可藉由使金屬箔4遍及金屬板3與環形天線11重疊而獲得良好的通訊特性。

此外，環形天線11亦可與金屬板3接觸。進而，環形天線11亦可與金屬板3重疊。此時，環形天線11以如下方式設置，即，只要供下述金屬箔4重疊的其中一側部11a與金屬板3重疊即可，而不與金屬板3重疊至另一側部11b。若另一側部11b與金屬板3重疊，反而有阻礙另一側部11b與讀寫器120的磁通電感耦合的擔憂。

在環形天線11與金屬板3之間設置有成為片狀的第2導電體的金屬箔4，該金屬箔4與金屬板3(第1導電體)重疊或接觸，並且至少一部分與環形天線11的與讀寫器120對向的面為相反側的面重疊。金屬箔4藉由與環形天線11的一部分重疊，而於重疊的環形天線11的一部分藉由反彈磁場而抑制重疊區域內的電感耦合，另外，促使磁通向未重疊的區域集中，從而謀求提高通訊性能。

即，通過環形天線11的來自讀寫器的磁通於線圈的導線朝一方向環繞的其中一側部11a與線圈的導線朝另一方向環繞的另一側部11b產生反向電流，其結果，無法高效率地耦合。

因此，天線裝置1藉由使金屬箔4與環形天線11的與讀寫器120對向之面為相反側的面部分重疊，而反彈重疊區域內的磁場，從而可抑制重疊區域內的電感耦合，且可高效率地輸送 於未重疊區域中產生的電流。另外，天線裝置1藉由使金屬箔4與環形天線11的與讀寫器120對向之面為相反側的面部分重疊，而使磁通集中於未重疊的區域，從而可促進該區域內的高效率的發電。

另外，天線裝置1藉由使金屬箔4亦與金屬板3重疊或接觸，而能夠將來自金屬板3的磁通不洩漏地向金屬箔4未重疊的環形天線11的區域誘導，從而可進行高效率的電感耦合。另外，天線裝置1藉由使金屬箔4亦與金屬板3重疊，可防止因來自金屬板3的漏磁通而導致於金屬箔4重疊的一部分中產生電感耦合所致的電流。

金屬箔4較佳地使用例如銅箔等良導體，但亦可不必為良導體。另外，金屬箔4的厚度是根據天線裝置1與讀寫器120的通訊頻率而適當決定，例如於通訊頻率為13.56MHz時，可使用厚度為20μm~30μm的金屬箔。

此外，金屬箔4與金屬板3或環形天線11只要重疊即可，並非必須接觸。但是，金屬箔4越接近金屬板3或環形天線11，則對於耦合係數而言越有利，因此較佳為接近或者接觸。

如圖7所示，金屬箔4較佳為自環形天線11的其中一側部11a的端部重疊至天線線圈12的中心部12a。藉此，金屬箔4可抑制環形天線11的其中一側部11a的耦合，相對降低流向與在另一側部11b產生的電流相反的電流量，並且將磁通自環形天線11的其中一側部11a向另一側部11b誘導，促進另一側部11b的耦合，從而謀求提高通訊特性。

另外，如圖7所示，金屬箔4較佳為具有環形天線11 的其中一側部11a的長邊方向以上的寬度，且遍及長邊方向與環形天線11的其中一側部11a完全重疊。藉此，金屬箔4亦可抑制環形天線11的其中一側部11a的電感耦合，相對降低流向與在另一側部11b產生的電流相反的電流量，並且將磁通自環形天線11的其中一側部11a向另一側部11b誘導，促進另一側部11b的耦合，從而可謀求提高通訊特性。

此處，於以上說明中，配置於無線通訊系統100的天線裝置1的環形天線11如圖2所示般呈大致矩形狀，且沿著外形環繞有天線線圈12的導線，以此基本構造對天線裝置1的構成進行了說明，但於應用本發明的天線裝置1中，包括如下天線線圈12，該天線線圈12位於設置在電子機器的具有磁屏蔽功能的外殼110的開口部111的端部，且配置於上述外殼110的內壁面。

即，例如，如圖8所示，應用本發明的天線裝置1中的環形天線11的天線線圈12位於設置在電子機器、例如智慧型手機130的包含具有磁屏蔽功能的金屬的外殼110的例如液晶顯示部用的開口部111的端部110A，且配置於上述外殼110的內壁面。

上述外殼110亦可為貼附具有磁屏蔽功能的金屬片而成。

如圖9所示，上述天線線圈12是藉由其中心部12a位於設置在上述具有磁屏蔽功能的外殼110的開口部111的端部110A，而於上述開口部111的端緣被劃分為上述環形天線11的其中一側部11a與另一側部11b該兩個部分，且以如下狀態配置於上述外殼110的內壁面，即，上述環形天線11的其中一側部11a與上述包含具有磁屏蔽功能的金屬的外殼110對向，上述環形天 線11的另一側部11b與上述外殼110的開口部111對向。

於如此般包括位於設置在電子機器的外殼110的開口部111的端部110A且配置於上述外殼110的內壁面的天線線圈12的天線裝置1中，如圖9所示，可將自上述讀寫器120的天線121發送的磁場H經由上述天線線圈12的中央開口部確實地引入至上述包含具有磁屏蔽功能的金屬的外殼110。

此處，於圖9所示的環形天線11中，在天線線圈12的中央開口部***有磁性片20。即，以如下方式將磁性片20***至形成於天線線圈12的中心部12a的中央開口部，即，於環形天線11的其中一側部11a，天線線圈12位於較磁性片20更靠讀寫器120側，於另一側部11b，磁性片20位於較天線線圈12更靠讀寫器120側。

該環形天線11成為如下構造，即，於天線線圈12的中心部12a遍及長邊方向地形成中央開口部，且於該中央開口部***有磁性片20。即，藉由將上述磁性片20***至形成於印刷(print)基板上的上述天線線圈12的中心部12a，而以滿足如下兩個配置條件的方式使該天線線圈12與該磁性片20相互重疊，上述配置條件是：於上述具有磁屏蔽功能的外殼110側，磁性片20位於上述天線線圈12與上述外殼110之間，且與上述天線線圈12的其中一側部11a對向；以及於與上述讀寫器120對向的中央開口部側，磁性片20位於較上述天線線圈12更靠讀寫器120側，且與上述天線線圈12的另一側部11b對向。

如此藉由在天線線圈12的中央開口部***磁性片20，可進一步高效率地引入自天線121發送的磁場H，藉由被導入的 磁場而於天線線圈12產生大的電動勢，因此可進一步提高通訊特性。

此外，即便設為包括磁性片20a或磁性片20b的構造以代替於天線線圈12的中央開口部***磁性片20，亦可高效率地將自上述天線121發送的磁場H引入至天線線圈12，從而可進一步提高通訊特性，上述磁性片20a如圖10(A)所示般位於上述天線線圈12與上述具有磁屏蔽功能的外殼110之間，且以與上述天線線圈12的其中一側部11a對向的方式配置，上述磁性片20b如圖10(B)所示般位於較天線線圈12更靠讀寫器120側，且以與上述天線線圈12的另一側部11b對向的方式配置。

另外，於包括應用本發明的天線裝置1的智慧型手機130等電子機器中，上述包含具有磁屏蔽功能的金屬的外殼110中圍繞上述開口部111的部分作為閉合迴路即響應已通過上述開口部111的磁通的一圈線圈發揮功能，藉此使上述天線線圈12的電動勢降低，但可如圖11(A)、圖11(B)所示般設置狹縫110B以遮斷由圍繞上述開口部111的部分形成的閉合迴路，而使圍繞上述開口部111的部分不作為一圈線圈發揮功能。

即，藉由設置狹縫110B以遮斷由圍繞上述開口部111的部分形成的閉合迴路，而可將自上述讀寫器120的天線121發送的磁場H經由上述天線線圈12的中央開口部確實地引入至上述包含具有磁屏蔽功能的金屬的外殼110，且藉由被導入的磁場使天線線圈12產生大的電動勢，從而使通訊特性進一步提高。

1‧‧‧天線裝置

12‧‧‧天線線圈

20‧‧‧磁性片

110‧‧‧外殼

110A‧‧‧端部

111‧‧‧開口部

X、Y、Z‧‧‧方向

Claims (5)

1. 一種天線裝置，被組裝至電子機器中，且經由電磁場訊號與外部機器進行通訊，其特徵在於：該天線裝置包括天線線圈，該天線線圈位於設置在上述電子機器的具有磁屏蔽功能的外殼的開口部的端部，且配置於上述外殼的內壁面。
2. 一種電子機器，組裝有經由電磁場訊號與外部機器進行通訊的天線裝置，其特徵在於包括：外殼，設置有開口部且具有磁屏蔽功能；天線裝置，包括位於上述開口部的端部且配置於上述外殼的內壁面的天線線圈；以及通訊處理部，與上述外部機器之間進行通訊。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電子機器，其設置有狹縫，該狹縫遮斷由上述外殼的圍繞上述開口部的部分形成的閉合迴路。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的電子機器，其中上述外殼包含具有磁屏蔽功能的金屬。
5. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的電子機器，其中上述外殼是貼附具有磁屏蔽功能的金屬片而成。