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JP2019192951A - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

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JP2019192951A
JP2019192951A JP2018079601A JP2018079601A JP2019192951A JP 2019192951 A JP2019192951 A JP 2019192951A JP 2018079601 A JP2018079601 A JP 2018079601A JP 2018079601 A JP2018079601 A JP 2018079601A JP 2019192951 A JP2019192951 A JP 2019192951A
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coil
antenna
antenna device
frequency
conductor plate
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JP2018079601A
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天野 信之
Nobuyuki Amano
信之 天野
市川 敬一
Keiichi Ichikawa
敬一 市川
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

【課題】複数のコイルを備える構成において、通信相手との通信性能が高く、複数のコイル同士の位置関係に起因する通信特性のばらつきを抑制したアンテナ装置を実現する。【解決手段】アンテナ装置はコイルアンテナ101等を備える。コイルアンテナ101は、絶縁基材10と、第1共振回路の一部を構成する複数巻きの第1コイルL1と、第2共振回路の一部を構成する複数巻きの第2コイルL2と、を備える。第1コイルL1は給電回路に接続される。第1コイルL1の巻回軸AX1と第2コイルL2の巻回軸AX2とは平行である。第1コイルL1および第2コイルL2の少なくとも一部は、第1コイルの巻回軸AX1方向(Z軸方向)から視て、互いに並走し、第1コイルL1の径方向に交互に配置される。第1コイルL1および第2コイルL2は、第1コイルL1および第2コイルL2に流れる電流の周回方向が同方向になるように、互いに電磁界結合する。【選択図】図1

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に複数のコイルを備えるアンテナ装置、およびそのアンテナ装置を備える電子機器に関する。
従来、コイルアンテナと、このコイルアンテナに磁界結合するブースターアンテナと、を備えるアンテナ装置が知られている。
例えば、特許文献1には、給電回路に接続される第1コイル(チップコイル)と、第1コイルに磁界結合する第2コイル(ブースターアンテナ)と、を備えるアンテナ装置が開示されている。特許文献1に示されるアンテナ装置は、第1コイルが接続される回路と、第2コイルが接続される回路とが、いずれも共振する複共振アンテナである。
特開2013−243566号公報
しかし、特許文献1に示される構成では、第1コイルと第2コイルとの結合度が低いため、アンテナの通信性能は低い。また、第1コイルと第2コイルとの位置関係によってはコイル同士の結合度が変動することがあり、アンテナ装置の通信特性にばらつきが生じる虞がある。
本発明の目的は、複数のコイルを備える構成において、通信相手との通信性能が高く、複数のコイル同士の位置関係に起因する通信特性のばらつきを抑制したアンテナ装置を提供することにある。
本発明のアンテナ装置は、
絶縁基材と、
給電回路に接続され、第1共振回路の一部を構成し、前記絶縁基材に形成され、複数巻回される第1コイルと、
第2共振回路の一部を構成し、前記絶縁基材に形成され、複数巻回される第2コイルと、
を備え、
前記第1コイルの巻回軸と前記第2コイルの巻回軸とは、平行であり、
前記第1コイルおよび前記第2コイルの少なくとも一部は、前記第1コイルの巻回軸方向から視て、互いに並走し、前記第1コイルの径方向において前記第1コイルが前記第2コイルを挟み、且つ、前記第2コイルが前記第1コイルを挟むように交互に配置され、
前記第1コイルおよび前記第2コイルは、前記第1コイルおよび前記第2コイルに流れる電流の周回方向が同方向になり、互いに電磁界結合することを特徴とする。
この構成によれば、第1コイルおよび第2コイルがいずれも絶縁基材に形成されるため、第1コイルおよび第2コイルがそれぞれ異なる部材に形成される場合と比べて、第1コイルと第2コイルとの位置関係のばらつきは生じ難い。そのため、コイル同士の位置関係のばらつきに起因する結合度の変動が抑制され、通信特性のばらつきを抑制できる。
また、この構成によれば、第1コイルと第2コイルとが互いに並走し、径方向に交互に配置されるため、第1コイルと第2コイルとの間の距離を短くできる。そのため、第1コイルおよび第2コイルがそれぞれ異なる部材に形成される場合と比べて、コイル同士の結合を高めることができ、アンテナ装置の通信特性を高めることができる。
本発明によれば、複数のコイルを備える構成において、通信相手との通信性能が高く、複数のコイル同士の位置関係に起因する通信特性のばらつきを抑制したアンテナ装置を実現できる。
図1(A)は第1の実施形態に係るコイルアンテナ101の平面図であり、図1(B)は図1(A)におけるA−A断面図である。 図2は、第1の実施形態にアンテナ装置301を備える電子機器401の回路図である。 図3は、コイルアンテナ101と通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。 図4は、図3に示したコイルアンテナ101と通信相手アンテナ500との結合の仕方について示す図である。 図5は、コイルアンテナ101と通信相手アンテナとの結合状態を示す回路図である。 図6(A)は比較例である1共振のコイルアンテナ100Aの平面図であり、図6(B)は別の比較例であるコイルアンテナ100Bの平面図である。 図7は、共振周波数fと係数αとの関係を示す図である。 図8は、第1インピーダンスZ1および第2インピーダンスZ2と周波数との関係を示した図である。 図9(A)は第2の実施形態に係る電子機器402Aの回路図であり、図9(B)は第2の実施形態に係る別の電子機器402Bの回路図である。 図10は、第2の実施形態に係る別の電子機器402Cの回路図である。 図11は、第3の実施形態に係るコイルアンテナ103の断面図である。 図12(A)は第4の実施形態に係るアンテナ装置304Aの平面図であり、図12(B)は図12(A)に示したアンテナ装置304Aと通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。 図13(A)は第4の実施形態に係る別のアンテナ装置304Bの平面図であり、図13(B)は図13(A)に示したアンテナ装置304Bと通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。 図14(A)は第4の実施形態に係る別のアンテナ装置304Cの平面図であり、図14(B)は図14(A)に示したアンテナ装置304Cと通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。 図15(A)は、コイルアンテナ100と測定コイル600との位置関係を示す斜視図であり、図15(B)はコイルアンテナ100と測定コイル600との位置関係を示す正面図である。 図16は、コイルアンテナ100の平面図である。 図17は、コイルアンテナ100と測定コイル600との結合係数k13 EQを示す図である。 図18(A)は第5の実施形態に係る電子機器405の筐体内部の構造を示す平面図であり、図18(B)は図18(A)におけるB−B断面図である。 図19は、第6の実施形態に係る電子機器406の筐体内部の構造を示す断面図である。
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している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、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。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、異なる点についてのみ説明する。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。
各実施形態に示す「アンテナ装置」は、信号(または電力)の送信側(送電側)、受信側(受電側)のいずれにも適用できる。この「アンテナ装置」を、磁束を放射するアンテナとして説明する場合でも、そのアンテナ装置が磁束の発生源であることに限るものではない。伝送相手側アンテナ装置が発生した磁束を受ける(鎖交する)場合にも、すなわち送受の関係が逆であっても、同様の作用効果を奏する。
各実施形態に示す「アンテナ装置」は、通信相手側アンテナ装置と電磁界結合(磁界結合および電界結合)を用いた近傍界通信のために用いられるアンテナ装置、または電力伝送相手側アンテナと電磁界結合を用いた近傍界での電力伝送のために用いられるアンテナ装置である。通信の場合には、例えばNFC(Near field communication)等の通信システムに適用される。電力伝送の場合には、例えば電磁誘導方式や磁界共鳴方式等の電磁界結合を利用した電力伝送システムに適用される。
各実施形態に示す「アンテナ装置」は、例えばHF帯、特に13.56MHz、6.78MHzまたはそれらの近傍の周波数帯で利用される。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効率は低い。アンテナ装置の大きさはλ/10以下である。より具体的には、アンテナ装置の電流経路の長さがλ/10以下である。なお、ここでいう波長とは、導体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である。
各実施形態において、「電子機器」とは、スマートフォンやフィーチャーフォン等の携帯電話端末、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やタブレットPC等の携帯PC、カメラ、ゲーム機、玩具等の情報機器、ICタグ、SDカード、SIMカード、ICカード等の情報媒体等、様々な電子機器を指す。
《第1の実施形態》
図1(A)は第1の実施形態に係るコイルアンテナ101の平面図であり、図1(B)は図1(A)におけるA−A断面図である。図2は、第1の実施形態にアンテナ装置301を備える電子機器401の回路図である。図1(A)では、構造を分かりやすくするため、第2コイルL2を破線で表している。このコイルアンテナ101は、例えばNFCで通信を行うRFIDシステムにおけるリーダーライターまたはタグに用いられる。
コイルアンテナ101は、絶縁基材10、第1コイルL1および第2コイルL2を備える。
絶縁基材10は、絶縁性材料からなる矩形の平板である。絶縁基材10は、互いに対向する第1主面VS1(表面)および第2主面VS2(裏面)を有する。絶縁基材10は、例えばポリイミド(PI)や液晶ポリマー(LCP)等の熱可塑性樹脂のシートである。
第1コイルL1は、絶縁基材10の第1主面VS1に形成される約2ターン(2回巻き)の矩形スパイラル状の導体パターンであり、第1端E11および第2端E12を有する。後に詳述するように、第1コイルL1は第1共振回路の一部を構成する。第1コイルL1は、例えばCu箔等の導体パターンである。
第2コイルL2は、絶縁基材10の第1主面VS1に形成される約2ターン(2回巻き)の矩形スパイラル状の導体パターンであり、第1端E21および第2端E22を有する。後に詳述するように、第2コイルL2は、第2共振回路の一部を構成する。第2コイルL2は、例えばCu箔等の導体パターンである。
第1コイルL1の巻回軸AX1と第2コイルL2の巻回軸AX2とは一致している。但し、巻回軸AX1と巻回軸AX2とは必ずしも一致している必要はなく、平行であればよい。なお、本明細書中で「巻回軸AX1と巻回軸AX2とが平行である」とは、厳密に平行であることのみを意味するものではなく、例えば巻回軸AX1と巻回軸AX2とが0°から±30°未満の範囲である場合をいう。
図1(A)および図1(B)に示すように、第1コイルL1および第2コイルL2の少なくとも一部は、Z軸方向(第1コイルL1の巻回軸AX1方向)から視て、互いに並走しており、第1コイルL1の径方向に交互に配置されている。なお、本実施形態では、第1コイルL1および第2コイルL2の略全体が、Z軸方向から視て、互いに並走している。
なお、本明細書中で「第1コイルL1および第2コイルL2が第1コイルの径方向に交互に配置される」とは、第1コイルL1の径方向において第1コイルL1が第2コイルL2を挟み、且つ、第1コイルL1の径方向において第2コイルL2が第1コイルL1を挟んでいる関係を言う。すなわち、第1コイルL1および第2コイルが、巻回軸AX1を中心にして、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2の順(または、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルの順)に巻回されることを言う。
なお、第1コイルL1および第2コイルL2の一部のみが、第1コイルL1の径方向に交互に配置されていてもよい。例えば、第1コイルL1および第2コイルL2がそれぞれ3ターンの場合、巻回軸AX1を中心にして第1コイルL1の径方向に、第1コイルL1、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2、第2コイルL2の順に巻回されていてもよい。但し、第1コイルL1および第2コイルL2の全体が、第1コイルL1の径方向に交互に配置されることが好ましい。例えば、第1コイルL1および第2コイルL2がそれぞれ3ターンの場合、巻回軸AX1を中心にして第1コイルL1の径方向に、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2の順(または、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルL1、第2コイルL2、第1コイルL1の順)に巻回され、いずれの部分でも、第1コイルL1の径方向に第1コイルL1同士あるいは第2コイルL2同士が隣り合わないことが好ましい。
図2は、第1の実施形態に係るアンテナ装置301を備える電子機器401の回路図である。
図2に示すように、電子機器401は、アンテナ装置301およびRFIC9等を備える。なお、電子機器401にはこれら以外の部品も搭載されている。アンテナ装置301は、コイルアンテナ101、第1インダクタL10a,L10b、第1キャパシタC10a,C10b,C11a,C11b,C12a,C12bおよび第2キャパシタC20を有する。第1インダクタL10a,L10bは、例えばチップインダクタである。第1キャパシタC10a,C10b,C11a,C11b,C12a,C12bおよび第2キャパシタC20は、例えばチップキャパシタである。なお、第1キャパシタおよび第2キャパシタは、コイルの線間容量であってもよい。
本実施形態では、RFIC9が本発明における「給電回路」の一例である。
第1コイルL1の第1端E11および第2端E12は、整合回路MC(後に詳述する)を介してRFIC9に接続されている。RFIC9は入出力がバランス型である。図2に示すように、直列に接続された第1キャパシタC10a,C10bは、第1コイルL1の第1端E11および第2端E12に並列に接続されている。第1キャパシタC10a,10bの接続点は、グランドに接続されている。第2コイルL2の第1端E21および第2端E22は、第2キャパシタC20に接続されている。第1コイルL1および第2コイルL2は電磁界結合する。
図2に示すように、少なくとも第1コイルL1および第1キャパシタC10a,C10bを含んで、第1共振回路RC1が構成される。また、少なくとも第2コイルL2および第2キャパシタC20を含んで、第2共振回路RC2が構成される。
なお、本実施形態では、第1コイルL1と第1キャパシタC10a,C10bとで第1共振回路RC1が構成されているが、第1共振回路RC1は、これ以外の回路構成要素を含んでいてもよい。また、本実施形態では、第2コイルL2と第2キャパシタC20とで第2共振回路RC2が構成されているが、第2共振回路RC2は、これ以外の回路構成要素を含んでいてもよい。
図2に示すように、整合回路MCは、コイルアンテナ101とRFIC9との間に接続されている。整合回路MCは、第1インダクタL10a,L10bおよび第1キャパシタC10a,C10b,C11a,C11b,C12a,C12bによって構成される。特に、第1インダクタL10a,L10bはEMC(Electro−Magnetic Compatibility:電磁両立性)対応用のフィルタとしても作用する。
図3は、コイルアンテナ101と通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。図4は、図3に示したコイルアンテナ101と通信相手アンテナ500との結合の仕方について示す図である。図5は、コイルアンテナ101と通信相手アンテナとの結合状態を示す回路図である。図5では、図3等に示す通信相手アンテナ500をインダクタL3で表している。図4において第1コイルL1と第2コイルL2とは、結合係数k12で結合し、第2コイルL2と通信相手アンテナ500とは結合係数k23で結合する。さらに、第1コイルL1と通信相手アンテナ500とは結合係数k13で結合する。通信相手アンテナ500(図5に示すインダクタL3)は、通信相手側のIC(またはICを含む通信回路。図5に示すIC8)に接続される。
第1共振回路RC1は第1周波数(第1共振回路RC1の共振周波数)で共振し、第1共振回路RC1の一部である第1コイルL1には共振電流が流れる。また、第2共振回路RC2は第2周波数(第2共振回路RC2の共振周波数)で共振し、第2共振回路RC2の一部である第2コイルL2には共振電流が流れる。このとき、第1共振回路RC1の一部である第1コイルL1に流れる電流の周回方向は、第2共振回路RC2の一部である第2コイルL2に流れる電流の周回方向と同じである(例えば、図1(A)中の矢印参照)。すなわち、第1コイルL1および第2コイルL2は、それぞれ流れる電流の周回方向が同方向になるように、互いに電磁界結合する。言い換えれば、第1コイルL1および第2コイルL2は、それぞれ流れる電流により生じる磁束が同相になるように、互いに磁界結合する。
本実施形態に係るアンテナ装置301(コイルアンテナ101)によれば、次のような作用効果を奏する。
(a)本実施形態では、第1コイルL1および第2コイルL2がいずれも絶縁基材10に形成される。この構成によれば、第1コイルL1および第2コイルL2がそれぞれ異なる部材に形成される場合と比較して、第1コイルL1と第2コイルL2との位置関係のばらつきは生じ難い。すなわち、第1コイルL1と第2コイルL2との相対的な位置ずれ要因が少なくなるため、コイル同士の位置関係のばらつきに起因する結合度の変動が抑制され、安定した通信特性を有したアンテナ装置が得られる。
(b)本実施形態では、第1コイルL1および第2コイルL2の少なくとも一部が互いに並走し、第1コイルL1の径方向に交互に配置されている。この構成によれば、第1コイルL1および第2コイルL2がそれぞれ異なる部材に形成される場合と比較して、第1コイルL1と第2コイルL2との間の距離を短くできる。そのため、コイル同士の結合を高めることができ、アンテナ装置の通信特性を高めることができる。
なお、第1コイルL1および第2コイルL2がそれぞれ異なる部材に形成される場合、第1コイルL1と第2コイルL2との位置関係によっては、コイル同士が十分に結合しない虞がある。また、コイル同士を十分に結合させようとすると、第1コイルL1と第2コイルL2との位置関係が制限されてしまう虞もある。一方、上記構成によれば、コイル同士の位置関係の制限を受けることなく、第1コイルL1と第2コイルL2との結合を高めることができる。
(c)また、本実施形態では、第1コイルL1および第2コイルL2の略全体が互いに並走している。第1コイルL1と第2コイルL2との結合係数は、第1コイルL1と第2コイルL2とが互いに近接している部分の距離が長いほど高まる。そのため、第1コイルL1と第2コイルL2の結合係数を高める点で、第1コイルL1の巻回数と第2コイルL2の巻回数とが略同じであることが好ましい。
(d)本実施形態では、第1コイルL1の巻回軸AX1と第2コイルL2の巻回軸AX2とが平行である。この構成により、第1コイルL1の巻回軸AX1が例えばY軸方向を向いている場合と比べて、第1コイルL1と第2コイルL2との結合係数k12の高いアンテナ装置301が得られる。
ここで、本願発明の構成(第1コイルL1および第2コイルが互いに並走し、径方向に交互に配置される構成)による結合係数の向上効果(上記(b)を参照)について示す。
図6(A)は比較例である1共振のコイルアンテナ100Aの平面図であり、図6(B)は別の比較例であるコイルアンテナ100Bの平面図である。コイルアンテナ100Aは、約4ターン(4回巻き)の第1コイルL1aのみ絶縁基材10の表面に形成されている点で、第1の実施形態に係るコイルアンテナ101と異なる。コイルアンテナ100Bは、約2ターン(2回巻き)の第1コイルL1bの内側に、約2ターン(2回巻き)の第2コイルL2bが配置されている点でコイルアンテナ101と異なる。コイルアンテナ100A,100Bの大きさ、その他の構成については、コイルアンテナ101と同じである。
上記比較例のコイルアンテナ100A,100Bと本実施形態に係るコイルアンテナ101の各結合係数の値は次のとおりである。
Figure 2019192951
表1中に示される各結合係数は次のとおりである。
k12:第1コイルと第2コイルとの結合係数
k13:第1コイルと通信相手アンテナとの結合係数
k23:第2コイルと通信相手アンテナとの結合係数
k13 EQ:第2共振回路を含んだ第1コイルと通信相手アンテナとの等価的な結合係数
k13 EQは、以下の式で求められる。
Figure 2019192951
なお、係数αは、共振周波数f(第1周波数または第2周波数のいずれか一方)と、第3周波数f(使用するキャリア周波数)とで求められる係数である。
係数αは、以下の式で求められる。
Figure 2019192951
図7は、共振周波数fと係数αとの関係を示す図である。なお、図7では第3周波数fを13.56MHzとしている。図7に示すように、共振周波数fが第3周波数fよりも高い場合には係数αが負の値となる。そのため、式(1)の右辺の分子の第2項が正の値となってk13 EQが大きくなる。すなわち、複共振の相乗効果によって通信特性を向上させることができる。一方、図7に示すように、共振周波数fが第3周波数fよりも低い場合には係数αが正の値となるため、式(1)の右辺の分子の第2項が負の値となってk13 EQが正の値かつ小さくなる、もしくはk13 EQが負の値となる。すなわち、複共振により通信特性を向上させる効果は得られなくなる。以上のことから、係数αが負の値となるように、共振周波数fが第3周波数fよりも高くなるように設定することが好ましい。
このように、第1コイルL1および第2コイルが互いに並走し、第1コイルL1の径方向に交互に配置されることにより、第1コイルL1と第2コイルL2との結合係数k12が向上し、結合係数k13 EQが向上する。
また、共振周波数f(第1周波数fまたは第2周波数fのいずれか一方)は、第3周波数fよりも高いことが好ましい。これにより、結合係数k13 EQが向上する。
また、通信相手アンテナとの通信性能を高めるためには、次の条件を満たすことが好ましい。図8は、第1インピーダンスZ1および第2インピーダンスZ2と、周波数との関係を示した図である。
例えば、第1周波数fおよび第2周波数fは、第3周波数fの0.5倍以上、且つ、第3周波数fの2倍以下であることが好ましい(0.5f≦f≦2f)(0.5f≦f≦2f)。また、例えば第2インピーダンスZ2(第2周波数f2における第2共振回路のインピーダンス)は、第1インピーダンスZ1(第1周波数fにおける第1共振回路のインピーダンス)の0.5倍以上、且つ、第1インピーダンスZ1の2倍以下であることが好ましい(0.5Z1≦Z2≦2Z1)。
これにより、第1共振回路の一部である第1コイルと、第2共振回路の一部である第2コイルとが強く結合し、結果的に通信相手アンテナとの通信特性が高まる。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、第1の実施形態に係る電子機器401とは回路構成が異なる電子機器を示す。
図9(A)は第2の実施形態に係る電子機器402Aの回路図であり、図9(B)は第2の実施形態に係る別の電子機器402Bの回路図である。図10は、第2の実施形態に係る別の電子機器402Cの回路図である。
電子機器402A,402B,402Cは、アンテナ装置の回路構成が、第1の実施形態に係る電子機器401と異なる。また、本実施形態では、RFIC9がシングルエンド型である。電子機器402A,402B,402Cの他の構成については、電子機器401と実質的に同じである。
以下、第1の実施形態に係る電子機器401と異なる部分について説明する。
図9(A)に示すように、電子機器402Aは、アンテナ装置302AおよびRFIC9を備える。アンテナ装置302Aは、コイルアンテナ101、第1インダクタL10、第1キャパシタC10,C11,C12および第2キャパシタC20を有する。第1インダクタL10および第1キャパシタC11は、第1コイルL1とRFIC9との間に直列に接続される。第1キャパシタC10は、第1コイルL1の第1端E11および第2端E12に並列に接続される。第1キャパシタC12は、RFIC9の入出力(または、第1コイルL1の第1端E11および第2端E12)に対して並列に接続される。
電子機器402Aでは、第1コイルL1および第1キャパシタC10,C11を含んで、第1共振回路RC1が構成されている。
図9(B)に示すように、電子機器402Bは、アンテナ装置302BおよびRFIC9を備える。アンテナ装置302Bは、コイルアンテナ101、第1インダクタL10、第1キャパシタC11,C12および第2キャパシタC20を有する。第1インダクタL10および第1キャパシタC11は、第1コイルL1とRFIC9との間に直列に接続される。第1キャパシタC12は、RFIC9の入出力(または、第1コイルL1の第1端E11および第2端E12)に対して並列に接続される。
電子機器402Bでは、第1コイルL1および第1キャパシタC11、C12を含んで、第1共振回路RC1が構成されている。
図10に示すように、電子機器402Cは、アンテナ装置302CおよびRFIC9を備える。アンテナ装置302Cは、第1インダクタL10、第1キャパシタC11a,C11b,C12および第2キャパシタC20を有する。第1インダクタL10および第1キャパシタC11a,C11bは、第1コイルL1とRFIC9との間に直列に接続される。第1キャパシタC12は、RFIC9の入出力(または、第1コイルL1の第1端E11および第2端E12)に対して並列に接続される。
電子機器402Cでは、第1コイルL1および第1キャパシタC11a,C11b,C12を含んで、第1共振回路RC1が構成されている。
このように、本願発明は、入出力がシングルエンド型の通信回路にも適用できる。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、アンテナ装置(コイルアンテナ)が磁性体を有する例を示す。
図11は、第3の実施形態に係るコイルアンテナ103の断面図である。
コイルアンテナ103は、磁性体5をさらに備える点で、第1の実施形態に係るコイルアンテナ101と異なる。コイルアンテナ103の他の構成については、コイルアンテナ101と同じである。
以下、第1の実施形態に係るコイルアンテナ101と異なる部分について説明する。
図11に示すように、絶縁基材10の第2主面VS2には磁性体5が貼付されている。磁性体5は、例えば磁性体フェライトの平板である。
本実施形態に係るコイルアンテナ103によれば、第1の実施形態で述べた効果以外に、次のような効果を奏する。
(e)本実施形態に係るコイルアンテナ103は、磁性体5を備える。この構成により、コイルアンテナ103を大型化することなく所定のインダクタンスのコイルアンテナを得ることができる。また、磁性体5の集磁効果によって、第1コイルL1と第2コイルL2との磁界結合、第1コイルL1と通信相手アンテナとの磁界結合が高まる。
(f)本実施形態に係るコイルアンテナ103は、磁性体5が絶縁基材10の第2主面VS2側に配置されている。この構成によれば、磁性体5の磁気シールド効果により、コイルアンテナ103からの磁界が第2主面VS2側に放射されることを抑制できる。そのため、絶縁基材10の第2主面VS2側に他の導体が近接する場合でも、上記他の導体とコイルアンテナとの不要結合は抑制される。
《第4の実施形態》
第4の実施形態では、導電体板をさらに備えるアンテナ装置の例を示す。
図12(A)は第4の実施形態に係るアンテナ装置304Aの平面図であり、図12(B)は図12(A)に示したアンテナ装置304Aと通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。アンテナ装置304Aは、コイルアンテナ101および導電体板2を備える。なお、アンテナ装置304Aには、コイルアンテナ101および導電体板2以外の構成が含まれるが、図12(A)および図12(B)では図示省略している。
アンテナ装置304Aは、コイルアンテナ101に近接する導電体板2をさらに備える点で、第1の実施形態に係るアンテナ装置301と異なる。コイルアンテナ101は、第1の実施形態で説明したものと同じである。アンテナ装置304Aの他の構成については、アンテナ装置301と同じである。以下、第1の実施形態と異なる部分について説明する。
導電体板2は矩形の平板である。導電体板2は、例えば金属やグラファイト等で構成される電子機器の筐体の一部、または、回路基板に形成されるグランド導体である。なお、後述するように、導電体板2は、例えば電子機器の筐体内部に収納されるバッテリーパックの金属部分(導体部分)でもよい。また、導電体板2は、例えば、電子機器の筐体内部に収納されるシールド板等の金属を含む部材でもよい。また、導電体板2は、必ずしも矩形である必要はなく、例えば円形等の形状でもよい。
図12(A)に示すように、アンテナ装置304Aの導電体板2は、Z軸方向(第1コイルL1の巻回軸AX1方向)から視て、第1コイルL1および第2コイルL2に重なる部分と、第1コイルL1および第2コイルL2に重ならない部分と、を有する。導電体板2は、第1コイルL1および第2コイルL2(絶縁基材10)よりも−Z方向に位置している。
図13(A)は第4の実施形態に係る別のアンテナ装置304Bの平面図であり、図13(B)は図13(A)に示したアンテナ装置304Bと通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。アンテナ装置304Bは、コイルアンテナ101および導電体板2を備える。なお、アンテナ装置304Bには、コイルアンテナ101および導電体板2以外の構成が含まれるが、図13(A)および図13(B)では図示省略している。
アンテナ装置304Bは、導電体板2の位置が、上述したアンテナ装置304Aと異なる。以下、アンテナ装置304Aと異なる部分について説明する。
図13(A)に示すように、アンテナ装置304Bの導電体板2は、第1コイルL1および第2コイルL2(絶縁基材10)よりも+Z方向に位置している。言い換えると、導電体板2は、Z軸方向において第1コイルL1および第2コイルL2と通信相手アンテナとの間に配置されている。
図14(A)は第4の実施形態に係る別のアンテナ装置304Cの平面図であり、図14(B)は図14(A)に示したアンテナ装置304Cと通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。アンテナ装置304Cは、コイルアンテナ101および導電体板2を備える。なお、アンテナ装置304Bには、コイルアンテナ101および導電体板2以外の構成が含まれるが、図14(A)および図14(B)では図示省略している。
アンテナ装置304Cは、導電体板2の位置が、上述したアンテナ装置304A,304Bと異なる。以下、アンテナ装置304A,304Bと異なる部分について説明する。
図14(A)に示すように、アンテナ装置304Cの導電体板2は、Z軸方向から視て、第1コイルL1および第2コイルL2(絶縁基材10)に重なっていない。導電体板2は、第1コイルL1および第2コイルL2に近接して配置されている。
本実施形態によれば、導電体板2が第1コイルL1および第2コイルL2と結合し、導電体板2が第1コイルL1および第2コイルL2に対するブースターアンテナとして機能するため、通信特性が高まる。
次に、導電体板が、通信相手アンテナとの結合係数に与える影響について説明する。図15(A)は、コイルアンテナ100と測定コイル600との位置関係を示す斜視図であり、図15(B)はコイルアンテナ100と測定コイル600との位置関係を示す正面図である。図16は、コイルアンテナ100の平面図である。
コイルアンテナ100は、第1コイルL1、第2コイルL2および絶縁基材10Aを備える。第1コイルL1および第2コイルL2は、絶縁基材10Aの第1主面VS1に形成されている。絶縁基材10Aは、長手方向がY軸方向に一致する矩形の平板である。導電体板2は、絶縁基材10Aの第1主面VS1側に設けられている。図16に示すように、第1コイルL1および第2コイルL2の外縁は、絶縁基材10Aの外縁の一部に一致している。
図15(B)および図16において、各部の寸法は次のとおりである。
X1(第1コイルL1および第2コイルL2のX軸方向の長さ):45mm
X2(導電体板2のX軸方向の長さ):70mm
Y1(導電体板2のY軸方向の長さ):130mm
Y2(絶縁基材10Aの外縁から導電体板2の外縁までのY軸方向の距離):15mm
D1(測定コイル600の直径):φ70mm
D2(第1コイルL1および第2コイルL2のY軸方向の長さ):9〜30mm
H1(第1コイルL1および第2コイルL2と測定コイル600との間の距離):25mm
図17は、コイルアンテナ100と測定コイルとの結合係数k13 EQを示す図である。図17は、D2(第1コイルL1および第2コイルL2のY軸方向の長さ)を9mm〜30mmまで変化させたときの(図16における矢印を参照)、コイルアンテナ100と測定コイルとの結合係数を示している。なお、図17では、比較のため、導電体板2を備えていないコイルアンテナと測定コイルとの結合係数も図示している。
図17に示すように、導電体板2を備えるコイルアンテナ100の方が、導電体板2を備えていないコイルアンテナよりも、測定コイル(600)との結合係数k13 EQが全体的に高い。このことから、コイルアンテナに近接する導電体板2の存在が、結合係数k13 EQの向上に寄与することがわかる。
なお、Y2=15mmであるため、D2が15mmを超えると、第1コイルL1および第2コイルL2が導電体板2に重なる。そして、D=15mmを超えても、コイルアンテナ100と測定コイル(600)との結合係数k13 EQは向上している。このことから、第1コイルL1および第2コイルL2の一部が導電体板2に重なっている方が、第1コイルL1および第2コイルL2が導電体板2に重ならない場合と比べて、測定コイル(600)との結合係数k13 EQが高いことがわかる。
そのため、本実施形態に係るコイルアンテナ104A,104Bのように、導電体板2が、Z軸方向から視て、第1コイルL1および第2コイルL2に重なる部分と、第1コイルL1および第2コイルL2に重ならない部分と、を有することが好ましい。
また、本実施形態の導電体板2には、スリットや開口等が形成されていないが、導電体板2にスリットや開口が形成されていてもよい。これにより、導電体板2のブースターアンテナとしての機能をより高めることができる。
《第5の実施形態》
第5の実施形態では、本発明のアンテナ装置を備える電子機器の例を示す。
図18(A)は第5の実施形態に係る電子機器405の筐体内部の構造を示す平面図であり、図18(B)は図18(A)におけるB−B断面図である。
電子機器405は、筐体50、アンテナ装置(コイルアンテナ101)、回路基板60、デバイス61、バッテリーパック62、ディスプレイ63および給電回路(図示省略)等を備える。アンテナ装置にはコイルアンテナ101以外の構成が含まれるが、図18(A)および図18(B)では図示省略している。
コイルアンテナ101、回路基板60、デバイス61、バッテリーパック62、ディスプレイ63等は、筐体50の内部に納められている。コイルアンテナ101は、筐体50の内面に貼付され、給電回路(図示省略)に接続されている。回路基板60上には、デバイス61等が実装されている。デバイス61は、例えばカメラモジュールやフラッシュ、スピーカー、イヤホンジャック、カードスロット、USBなどの端子、ボタン、センサなどのデバイスである。
図示省略するが、バッテリーパック62には導体部分(例えば、外装等の金属部分)が含まれている。図18(A)に示すように、第1コイルL1および第2コイルL2は、Z軸方向(第1コイルL1の巻回軸AX1方向)から視て、バッテリーパック62に重なる部分と、バッテリーパック62に重ならない部分と、を有する。
本実施形態では、このバッテリーパック62に含まれる導体部分(金属部分)が本発明における「導電体板」に相当する。
このように、本発明における「導電体板」として、電子機器に設けられた部品の導体部分を利用してもよい。この構成によれば、導電体板を別途設ける必要がないため、アンテナ装置の製造が容易となり、低コスト化を図れる。
なお、本実施形態では、バッテリーパック62の導体部分を「導電体板」として利用したが、これに限定されるものではない。例えば、ディスプレイの背面に設けられた導体を「導電体板」として利用してもよい。また、例えば、回路基板に形成される導体パターンを「導電体板」として利用してもよい。
《第6の実施形態》
第6の実施形態では、筐体の一部を導電体板に利用した電子機器の例を示す。
図19は、第6の実施形態に係る電子機器406の筐体内部の構造を示す断面図である。
電子機器406は、筐体50Aを備える点で、第5の実施形態に係る電子機器405と異なる。電子機器406のその他の構成については、電子機器405と同じである。以下、電子機器405と異なる部分について説明する。
筐体50Aは、樹脂筐体部51および導電体板52を有する。図19に示すように、導電体板52は、Z軸方向(第1コイルL1の巻回軸AX1方向)から視て、第1コイルL1および第2コイルL2に重なる部分と、第1コイルL1および第2コイルL2に重ならない部分と、を有する。
このような構成でも、第5の実施形態に係る電子機器405と同様の作用効果を奏する。
《その他の実施形態》
以上に示した各実施形態では、絶縁基材が矩形の平板である例を示した、この構成に限定されるものではない。絶縁基材の形状は、本発明の作用・効果を奏する範囲において適宜変更可能であり、例えば平面形状が多角形、円形、楕円形、L字形、クランク形、T字形、Y字形等でもよい。また、絶縁基材は平板に限定されず、例えば直方体、立方体、多角柱、円柱、楕円柱等でもよい。さらに、絶縁基材は、複数の絶縁層を積層して形成される積層体であってもよい。なお、絶縁基材の表面にソルダーレジスト膜やカバーレイフィルム等の保護膜が形成されていてもよい。
以上に示した各実施形態では、絶縁基材が熱可塑性樹脂のシートである例を示したが、この構成に限定されるものではない。絶縁基材は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂のシートでもよい。また、絶縁基材は、例えば低温同時焼成セラミックス(LTCC)の誘電体セラミックであってもよい。
また、本発明における第1コイルL1および第2コイルL2の形状・巻回数は、以上に示した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の作用・効果を奏する範囲において適宜変更可能である。第1コイルL1および第2コイルL2の形状は矩形スパイラル状に限定されず、例えば円形スパイラル状あるいは楕円形スパイラル状であってもよい。また、第1コイルL1および第2コイルL2の巻回数は、2ターンより多くてもよい。なお、以上に示した各実施形態では、第1コイルL1の巻回数と第2コイルL2の巻回数とが略同じ例を示したが、この構成に限定されるものではない。第1コイルL1の巻回数と第2コイルL2とが異なっていてもよい。但し、第1コイルL1と第2コイルL2との結合係数を高めるため、第1コイルL1の巻回数(n)と第2コイルL2の巻回数(m)との差は±1以内であることが好ましい(n−1≦m≦n+1)。
以上に示した各実施形態では、第1コイルL1および第2コイルL2が絶縁基材10の第1主面VS1に形成される例を示したが、この構成に限定されるものではない。すなわち、第1コイルL1と第2コイルL2とが同一平面状に形成されているものに限定されず、例えば、第1コイルL1が絶縁基材10の第1主面VS1に形成され、第2コイルL2が第2主面VS2に形成されていてもよい。
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。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、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
AX1…第1コイルの巻回軸
AX2…第2コイルの巻回軸
C10,C10a,C10b,C11,C11a,C11b,C12,C12a,C12b…第1キャパシタ
C20…第2キャパシタ
E11…第1コイルの第1端
E12…第1コイルの第2端
E21…第2コイルの第1端
E22…第2コイルの第2端
…第1周波数
…第2周波数
f…第3周波数
…共振周波数(第1周波数または第2周波数のいずれか一方)
k12,k13,k23…結合係数
k13 EQ…結合係数
L1,L1a,L1b…第1コイル
L2,L2b…第2コイル
L10,L10a,L10b…第1インダクタ
L3…インダクタ
MC…整合回路
RC1…第1共振回路
RC2…第2共振回路
VS1…絶縁基材の第1主面
VS2…絶縁基材の第2主面
Z1…第1インピーダンス
Z2…第2インピーダンス
2…導電体板
5…磁性体
8…IC
9…RFIC
10,10A…絶縁基材
50,50A…筐体
51…樹脂筐体部
52…導電体板
60…回路基板
61…デバイス
62…バッテリーパック
63…ディスプレイ
100,100A,100B,101,103,104A,104B…コイルアンテナ
301,302A,302B,304A,304B,304C…アンテナ装置
401,402A,402B,402C,405,406…電子機器
500…通信相手アンテナ
600…測定コイル

Claims (10)

  1. 絶縁基材と、
    給電回路に接続され、第1共振回路の一部を構成し、前記絶縁基材に形成され、複数巻回される第1コイルと、
    第2共振回路の一部を構成し、前記絶縁基材に形成され、複数巻回される第2コイルと、
    を備え、
    前記第1コイルの巻回軸と前記第2コイルの巻回軸とは、平行であり、
    前記第1コイルおよび前記第2コイルの少なくとも一部は、前記第1コイルの巻回軸方向から視て、互いに並走し、前記第1コイルの径方向において前記第1コイルが前記第2コイルを挟み、且つ、前記第2コイルが前記第1コイルを挟むように交互に配置され、
    前記第1コイルおよび前記第2コイルは、前記第1コイルおよび前記第2コイルに流れる電流の周回方向が同方向になり、互いに電磁界結合する、
    ことを特徴とする、アンテナ装置。
  2. 前記第1コイルに接続され、前記第1共振回路の一部を構成する第1キャパシタをさらに備える、請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記第2コイルに接続され、前記第2共振回路の一部を構成する第2キャパシタをさらに備える、請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4. 磁性体をさらに備える、請求項1から3のいずれかに記載のアンテナ装置。
  5. 前記第1共振回路の共振周波数を第1周波数、前記第1周波数における前記第1共振回路のインピーダンスを第1インピーダンスとし、
    前記第2共振回路の共振周波数を第2周波数、前記第2周波数における前記第2共振回路のインピーダンスを第2インピーダンスとし、
    使用するキャリア周波数を第3周波数としたときに、
    前記第1周波数および前記第2周波数は、前記第3周波数の0.5倍以上かつ2倍以下であり、
    前記第2インピーダンスは、前記第1インピーダンスの0.5倍以上かつ2倍以下である、請求項1から4のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 導電体板をさらに備え、
    前記導電体板は、前記第1コイルの前記巻回軸方向から視て、前記第1コイルおよび前記第2コイルに重なる部分と、前記第1コイルおよび前記第2コイルに重ならない部分と、を有する、請求項1から5のいずれかに記載のアンテナ装置。
  7. 筐体と、アンテナ装置と、給電回路と、を備え、
    前記アンテナ装置は、
    絶縁基材と、
    第1共振回路の一部を構成し、前記絶縁基材に形成され、複数巻回される第1コイルと、
    第2共振回路の一部を構成し、前記絶縁基材に形成され、複数巻回される第2コイルと、
    を有し、
    前記第1コイルの巻回軸と前記第2コイルの巻回軸とは、平行であり、
    前記第1コイルおよび前記第2コイルの少なくとも一部は、前記第1コイルの巻回軸方向から視て、互いに並走し、前記第1コイルの径方向において前記第1コイルが前記第2コイルを挟み、且つ、前記第2コイルが前記第1コイルを挟むように交互に配置され、
    前記第1コイルおよび前記第2コイルは、前記第1コイルおよび前記第2コイルに流れる電流の周回方向が同方向になり、互いに電磁界結合し、
    前記第1コイルは、前記給電回路に接続される、
    ことを特徴とする、電子機器。
  8. 導電体板をさらに備え、
    前記導電体板は、前記第1コイルの前記巻回軸方向から視て、前記第1コイルおよび前記第2コイルに重なる部分と、前記第1コイルおよび前記第2コイルに重ならない部分と、を有する、請求項7に記載の電子機器。
  9. 前記導電体板は、前記筐体の一部である、請求項8に記載の電子機器。
  10. 前記導電体板は、前記電子機器に収納されるバッテリーパックの金属部分である、請求項8に記載の電子機器。
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