JP2013009071A

JP2013009071A - アンテナコイル

Info

Publication number: JP2013009071A
Application number: JP2011139166A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takahashi; 政幸高橋; Masatake Shirai; 正剛白井; Shuichi Yatabe; 主一谷田部
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-01-10

Abstract

【課題】
アンテナコイルを薄型化するために、磁性体コアの厚さを薄くすると、ループアンテナとアンテナコイルとの間の結合係数が小さくなり、通信可能な距離が短くなる。
【解決手段】
平板状の磁性体コアの両端部にソレノイド状に巻回された第１のコイルと第２のコイルと、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間の前記磁性体コアの表面に配置されたスパイラル状に巻回された第３のコイルとを配置し、
前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記第３のコイルとを、直列に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯機器端末等に内蔵され、近距離の非接触通信に用いられるアンテナコイルに係わる。

携帯端末等とリーダーライタとが近接して通信する非接触通信では、リーダーライタ（Ｒ／Ｗ）に内蔵されたリーダーライタ側アンテナと、携帯機器端末等に内蔵された端末側アンテナとを、電磁的に結合させることによって通信を行う。
リーダーライタ側のアンテナには、導線を枠状に巻線したループコイルが用いられ、端末側のアンテナには、平板状のフェライトに導線を巻線したアンテナコイルを用いられる。

このような通信では、ループコイルとアンテナコイルとの結合係数によって、通信可能な距離が変動する。結合係数ｋは、ループコイルで発生した磁束Φ_１に対する、アンテナコイルと鎖交する磁束Φ_２の割合で表され、ｋ＝Φ_２／Φ_１である。結合係数ｋが小さいと、通信可能な距離は短くなる。

図６は、ループコイルと、従来のアンテナコイルとが非接触通信する斜視図を示す。
図６に示すように、長さｌ、幅ｗ、厚さｔの平板状の磁性体コア６１に第１のコイル６２と第２のコイル６３がソレノイド状に巻回された端末側のアンテナコイル６０が、略四角形の枠状に巻線されたループコイル７０と対峙し、ループコイル７０の対辺を横切るように配置されている。
第１のコイル６２と第２のコイル６３は、磁性体コア６１の両端に巻回され、第１のコイル６２と第２のコイル６３は離間しているとともに、ループコイル７０のそれぞれの対辺を横切るように配置されている。

特開２００８−３５４６４号公報

携帯機器の小型軽量化に伴い、特に端末側のアンテナコイルは薄型化が強く望まれている。そのため、従来のアンテナコイルは、磁性体コアの厚さを薄くして薄型化していた。

図７は、ループコイルとアンテナコイルとの間の距離を一定とし、磁性体コアの厚さを変化させた場合の、ループコイルとアンテナコイルの結合係数の変化を示すグラフである。
図７において、横軸は磁性体コアの厚さｔ［ｍｍ］、縦軸は、結合係数ｋを示す。磁性体コアは、幅ｗ＝９［ｍｍ］、長さｌ＝１００［ｍｍ］である。
グラフより、例えば、磁性体コアの寸法が、幅ｗ＝９［ｍｍ］、厚さｔ＝０．２［ｍｍ］、長さｌ＝１００［ｍｍ］の場合の結合係数は、約０．０４であり、磁性体コアの厚さｔが厚くなるに従い、結合係数ｋが大きくなることがわかる。

図８は、図５のＡ−Ａ断面における磁束のシミュレーション結果を示す。
ループコイル７０に電流が流れると、ループコイル７０の巻線を中心に磁束が発生する。
発生した一部の磁束は、アンテナコイル６０の磁性体コア６１の側面から磁性体コア６１の内部に入射し、磁性体コア６１の内部を曲げられながら進み、第１のコイル６２または第２のコイル６３の巻軸を貫き、磁性体コア６１の端部から射出する。
一方、別の一部の磁束は、図中９０ａ〜９０ｄに示すように、磁性体コア６１の側面から入射し、磁性体コアの内部を曲げられながら進み、第１のコイル６２または第２のコイル６３の巻軸を貫かずに磁性体コア６１の反対の側面から出射する。このような磁束９０ａ〜９０ｄは、結合係数には寄与しない。

磁性体コアの厚さを薄くすると、磁性体コアの中で十分に曲げられずに、第１のコイル６２または第２のコイル６３の巻軸を貫かずに、磁性体コアの反対の側面から出射してしまう磁束の割合が多くなり、その結果、ループアンテナとアンテナコイルの結合係数が小さくなる。

このように、アンテナコイルを薄型化するために、磁性体コアを薄くすると、ループアンテナとアンテナコイルとの間の結合係数が小さくなり、通信可能な距離が短くなるという問題があった。
本発明の目的は、上記した問題を解決するためのものであり、アンテナコイルの磁性体コアを薄型化しても、結合係数の高いアンテナコイルを提供することを目的とする。

本発明のアンテナコイルは、
平板状の磁性体コアと、前記磁性体コアの両端部にソレノイド状に巻回され、夫々が離間して配置された第１のコイルと第２のコイルと、
前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間の、前記磁性体コアの表面に配置されたスパイラル状に巻回された第３のコイルと、
を備え、ループコイルに対峙して配置されるアンテナコイルであって、
前記磁性体コアの中心から前記第１のコイルの巻軸を貫く方向の磁束により前記第１のコイルに生じる電圧と、
前記磁性体コアの中心から前記第２のコイルの巻軸を貫く方向の磁束により前記第２のコイルに生じる電圧と、
前記表面から前記第３のコイルの巻軸を貫く方向の磁束により前記第３のコイルに生じる電圧とが
互いに強められるように、
前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記第３のコイルとを、直列に接続したことを特徴とすることを特徴とする。

本発明のアンテナコイルによれば、端末側のアンテナコイルの磁性体コアの厚さを薄くしても、リーダーライタ側のアンテナコイルと端末側のアンテナコイルとの間の結合係数を大きくすることができる。その結果、薄型化しても通信可能な距離が短くならない、アンテナコイルとすることができる。

本発明のアンテナコイルを用いた非接触通信の一実施例を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のアンテナコイルのコイルの接続を説明する図である。図１の結合係数を示すグラフである。図１の磁束のシミュレーション結果を示す図である。従来のアンテナコイルを用いた非接触通信の一実施例を示す斜視図である。図６の結合係数を示すグラフである。従来のアンテナコイルの結合係数のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を用いて本発明のアンテナコイルに係わる一実施例を説明する。
図１は、ループアンテナと、本発明のアンテナコイルとが非接触通信する一実施例の斜視図を示す。図２は、図１のＡ−Ａ断面図を示す。
図１〜２に示すように、本発明のアンテナコイル１０は、略四角形の枠状に巻線されたループコイル２０に対峙し、ループコイル２０の対辺を横切るように配置される。アンテナコイル１０は、平板状の磁性体コア１１と、磁性体コア１１の両端に導線がソレノイド状に巻回された第１のコイル１２および第２のコイル１３と、第１のコイル１２と第２のコイル１３の間の磁性体コア１１のループコイル２０と対峙する表面に導線がスパイラル状に巻回された第３のコイル１４とを備える。
第１のコイル１２と第２のコイル１３は、ループコイル２０のそれぞれの対辺を横切るように配置されている。

図３は、第１のコイル１２と第２のコイル１３と第３のコイル１４の巻回方向および接続を詳しく説明する図である。図３に示すように、
磁性体コアの中心から、第１のコイル１２の巻軸を貫き磁性体コアの一方の端部から磁性体コアの外に出る磁束を磁束３１、
磁性体コアの中心から、第２のコイル１３の巻軸を貫き磁性体コアの他方の端部から磁性体コアの外に出る磁束を磁束３２、
磁性体コアの側面から、磁性体コアの内部に入る磁束を磁束３０としたとき、
第１のコイル１２と第２のコイル１３と第３のコイル１４とは、
磁束３１により第１のコイル１２の両端１２ａ、１２ｂの間に生じる電圧と、
磁束３２により第２のコイル１３の両端１３ａ、１３ｂの間に生じる電圧と、
磁束３０により第３のコイル１４の両端１２ｂ、１３ａの間に生じる電圧とが、
強め合うように、第１のコイル１２と第３のコイル１４と第２のコイル１３とが直列に接続されている。

図４は、アンテナコイルとループアンテナの間の距離を一定にして、磁性体コアの厚さｔを変化させたときの、ループアンテナとアンテナコイルの結合係数の変化を示すグラフである。
図４において、横軸は磁性体コアの幅ｗ［ｍｍ］、縦軸は、結合係数ｋを示す。磁性体コアは、厚さｔ＝０．２［ｍｍ］、長さｌ＝１００［ｍｍ］である。
図４より、磁性体コアが、幅ｗ＝９［ｍｍ］、厚さｔ＝０．２［ｍｍ］のときの結合係数は、約０．０６であり、これは、図７に示した、磁性体コアが、幅ｗ＝９［ｍｍ］、厚さｔ＝０．２［ｍｍ］のときの結合係数が、約０．０４であることと比較して、結合係数が大きくなっていることがわかる。

図５は、図１のＡ−Ａ断面における磁束の、シミュレーション結果を示す。
図５に示すように、ループアンテナ２０に電流が流れると、ループコイル２０の周囲に磁束が発生する。
発生した磁束は、アンテナコイル１０の磁性体コア１１の表面から磁性体コア１１の内部に入射し、磁性体コア１１の内部を曲げられながら進み、一部の磁束は第１のコイル１２または第２のコイル１３の巻軸を貫く。さらに、磁性体コア１１の側面から出射する磁束４０ａ〜４０ｄは、第３のコイル１４の巻軸を貫いている。
このように、３つのコイルによって、アンテナコイル１０を貫く磁束の数を多くすることができ、これによりリーダーライタ側のアンテナコイルと端末側のアンテナコイルとの間の結合係数を大きくすることができる。その結果、通信可能な距離を長くすることができる。

本発明のアンテナコイルは、第１のコイルおよび第２のコイルを貫かない磁束があるにもかかわらず、第３のコイルを貫いた磁束によって、その分、結合係数を大きくできる。
第３のコイルは、ループコイルと対峙しない表面であってもよいが、第３のコイルをループコイルと対峙しない面に配置した場合は、磁束の間隔が広がっているので、対峙する面に配置した場合よりも大きな面積の第３のコイルが必要である。

第３のコイルは、フレキシブルプリント基板上に印刷して作製することが可能であり、アンテナコイルの厚さを厚くせずに、結合係数の高いアンテナコイルとすることができる。第１のコイルおよび第２のコイルもフレキシブルプリント基板にパターンを作製してもよい。パターンの作製されたフレキシブルプリント基板を、磁性体コアに巻き付けて、パターンがソレノイド状のコイルになるようにパターンの端部を接続する。
また、磁性体コアは、第１のコイルと第２のコイルと第３のコイルで夫々分割されていてもよい。磁性体コアを分割することにより携帯機器への組み込みが容易になる。

１０、６０アンテナコイル
２０、７０ループコイル
１１、６１磁性体コア
１２、６２第１のコイル
１３、６３第２のコイル
１４第３のコイル

Claims

平板状の磁性体コアと、前記磁性体コアの両端部にソレノイド状に巻回され、夫々が離間して配置された第１のコイルと第２のコイルと、
前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間の、前記磁性体コアの表面に配置されたスパイラル状に巻回された第３のコイルと、
を備え、ループコイルに対峙して配置されるアンテナコイルであって、
前記磁性体コアの中心から前記第１のコイルの巻軸を貫く方向の磁束により前記第１のコイルに生じる電圧と、
前記磁性体コアの中心から前記第２のコイルの巻軸を貫く方向の磁束により前記第２のコイルに生じる電圧と、
前記表面から前記第３のコイルの巻軸を貫く方向の磁束により前記第３のコイルに生じる電圧とが
互いに強められるように、
前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記第３のコイルとを、直列に接続したことを特徴とするアンテナコイル。
前記第３のコイルは、フレキシブルプリント基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナコイル。
前記磁性体コアは、第１のコイルと第３のコイルの間と、第２のコイルと第３のコイルの間とで、３つに分解されていることを特徴とする請求項１乃至２記載のアンテナコイル。