JP5578291B2

JP5578291B2 - アンテナ装置及び通信端末機器

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Publication number: JP5578291B2
Application number: JP2013558840A
Authority: JP
Inventors: 邦明用水; 浩和矢▲崎▼
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: US9582693B2; JPWO2013183552A1; US20140176384A1; WO2013183552A1; CN103765675A; CN103765675B

Description

本発明は、アンテナ装置、例えば、ＮＦＣ（Near Field Communication）などの非接触通信システムで用いられるアンテナ装置及び該アンテナ装置を備えた通信端末機器に関する。

近年、携帯端末などには１３．５６ＭＨｚ帯の非接触通信システムで使用されるアンテナ装置が内蔵されている。この種のアンテナ装置は、良好な通信距離を得るために、大きなコイルアンテナを必要としており、該コイルアンテナは比較的大きなスペースが得られる端末ケースの内側に貼り付けられている。そして、ＲＦ信号を処理する給電回路（ＲＦＩＣチップ）とコイルアンテナとはコネクタやピンを介して直流的に接続されている。

しかし、前述の直流的な接続方式であると、接触面の粗さ、酸化、接点圧によって接触抵抗がばらつくという問題点を有しており、振動や落下による衝撃などで接触不良が生じるなど、信頼性の点で問題点を有している。

そこで、特許文献１，２では、基板上に実装したＲＦＩＣチップに対して基板上の配線で導通させた送受信用アンテナと、例えば端末ケースの内側に設けた共振アンテナとを電磁界結合させて動作させることが提案されている。これによれば、前記問題点を解消できるうえに、送受信用アンテナは共振アンテナとのみ結合させればよいため、そのサイズを小さくすることができる。

しかしながら、ブースタコイルアンテナと給電コイルアンテナの電磁界的な結合は、漏れ磁束の発生などを生じて必ずしも十分ではなく、通信特性の劣化が問題となる。

特開２００８−３０６６８９号公報特許第４３２５６２１号公報

本発明の目的は、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度を大きくできるアンテナ装置及び通信端末機器を提供することにある。

本発明の第１の形態であるアンテナ装置は、
給電回路に接続された給電コイルアンテナと、
巻回されたコイル導体からなり、前記給電コイルアンテナと電磁界結合するように配置されたブースタコイルアンテナと、
を備えたアンテナ装置において、
前記給電コイルアンテナは、コイル導体からなる第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナからなり、かつ、第１コイルアンテナと第２コイルアンテナのそれぞれのコイル導体は互いに同相に接続されており、
第１コイルアンテナは、そのコイル導体の巻回軸が前記ブースタコイルアンテナの巻回軸に対して直交するように、かつ、平面視で前記ブースタコイルアンテナのコイル導体と少なくともその一部が重なるように配置され、
第２コイルアンテナは、そのコイル導体の巻回軸が前記ブースタコイルアンテナの巻回軸に対して平行となるように、かつ、平面視でそのコイル開口の少なくとも一部が前記ブースタコイルアンテナのコイル導体と重ならないように該コイル導体の近傍に配置されていること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態である通信端末機器は、前記アンテナ装置と、筺体と、該筺体に収容されたプリント配線板と、を備えた通信端末機器であって、前記給電コイルアンテナは前記プリント配線基板に取り付けられ、前記ブースタコイルアンテナは前記筺体を覆うカバーの内側、もしくは外側、もしくは樹脂モールド技術を使ってカバー内部に埋め込む形態で取り付けられていること、を特徴とする。

前記アンテナ装置においては、給電コイルアンテナが第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナによって形成されており、第１コイルアンテナはそのコイル導体の巻回軸がブースタコイルアンテナの巻回軸に対して直交するように配置され、第２コイルアンテナはそのコイル導体の巻回軸がブースタコイルアンテナの巻回軸に対して平行となるように配置されているため、ブースタコイルアンテナの周囲に発生する磁束と漏れなく結合し、結合度が向上する。それゆえ、通信特性が向上する。

本発明によれば、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度が向上し、通信特性が向上する。

一実施例であるアンテナ装置を示す分解斜視図である。前記アンテナ装置を示す斜視図である。（Ａ），（Ｂ）ともに前記アンテナ装置の等価回路図である。（Ａ）は前記アンテナ装置における給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図、（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナ単独でのブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。第２コイルアンテナの第１変形例を示す斜視図である。第２コイルアンテナの第２変形例を示す斜視図である。図６に示す第２変形例である第２コイルアンテナを備えたアンテナ装置における給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。（Ａ）は給電コイルアンテナの配置関係に関する第１変形例を示す平面図、（Ｂ）は第２変形例を示す平面図である。給電コイルアンテナの第２例を示す斜視図である。給電コイルアンテナの第３例を示す斜視図である。（Ａ）は磁性体層の作用を示す説明図、（Ｂ）は比較例の説明図である。一実施例である通信端末機器を示し、（Ａ）は筺体カバーの裏面図、（Ｂ）は筺体本体の内部を示す平面図である。他の実施例である通信端末機器における筺体本体の内部を示す平面図である。

以下、本発明に係るアンテナ装置及び通信端末機器の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

一実施例であるアンテナ装置１は、図１及び図２に示すように、回路基板（プリント配線板１０）上に給電コイルアンテナ１５（第１コイルアンテナ１５Ａ、第２コイルアンテナ１５Ｂからなる）を配置するとともに、絶縁体層２１の下面及び上面にコイル導体２２，２３を設けたブースタコイルアンテナ２０を形成し、給電コイルアンテナ１５をブースタコイルアンテナ２０の周回辺の一部に近接配置したものである。ブースタコイルアンテナ２０とプリント配線板１０との間の少なくとも一部には磁性体層２５が介在されていてもよい。ブースタコイルアンテナ２０は、ＨＦ帯の高周波信号の送受信が可能な放射素子として機能する。

このアンテナ装置１は、図３（Ａ）に示す等価回路を有している。給電コイルアンテナ１５（コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂ）は給電回路（ＲＦＩＣチップ３０）に接続されており、並列共振回路を構成するインダクタ成分Ｌ１（コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂの合成インダクタ成分）と、容量成分Ｃ１とからなる。共振周波数は主に容量成分Ｃ１によって調整される。一方、ブースタコイルアンテナ２０はコイル導体２２，２３によるインダクタ成分Ｌ２，Ｌ３と線間容量成分Ｃ２，Ｃ３とからなる直列共振回路を構成している。そして、給電コイルアンテナ１５（インダクタ成分Ｌ１）とブースタコイルアンテナ２０（インダクタ成分Ｌ２，Ｌ３）とは互いに電磁界結合（符号Ｍで示す）している。

給電回路は、ＲＦＩＣチップ３０にて構成されており、メモリー回路やロジック回路を有しており、ベアチップＩＣとして構成されていてもよく、パッケージＩＣとして構成されていてもよい。

コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂは、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂと該磁性体コア１６Ａ，１６Ｂの周囲に巻回したコイル導体１７Ａ，１７Ｂにて構成されている。コイル導体１７Ａ，１７Ｂはプリント配線板１０上に形成した導体を介して直列又は並列に同相に接続されている（図３（Ａ），（Ｂ）参照）。第１コイルアンテナ１５Ａは、そのコイル導体１７Ａの巻回軸がブースタコイルアンテナ２０の巻回軸に対して直交するように、かつ、平面視でブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３と少なくともコイルアンテナ１５Ａ自体の一部が重なるように配置されている。第２コイルアンテナ１５Ｂは、そのコイル導体１７Ｂの巻回軸がブースタコイルアンテナ２０の巻回軸に対して平行となるように、かつ、平面視でそのコイル開口の少なくとも一部がブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３と重ならないように該コイル導体２２，２３の近傍に配置されている。

なお、コイル導体１７Ａの巻回軸がブースタコイルアンテナ２０の巻回軸に対して直交するとは、厳密な意味で９０°であることは必要ない。９０°±３０°の範囲で交差していれば、以下に説明する結合度を大きくすることができる。また、コイル導体１７Ｂの巻回軸がブースタコイルアンテナ２０の巻回軸に対して平行であることは、厳密な意味で１８０°であることは必要ない。１８０°±３０°の範囲で配置されていれば、以下に説明する結合度を大きくすることができる。

磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは通常フェライトからなる。コイル導体１７Ａ，１７Ｂは導電性材料からフォトリソ法などで薄膜形成したもの、あるいは、導電性ペーストを用いて厚膜形成したもの、さらには、導線を巻回したものであってもよい。また、ブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３は絶縁体層２１上に導電性材料からフォトリソ法などで薄膜形成したものであるが、これに限定するものではない。図示はしないが例えば電流の流れる方向が同じになるようにコイル導体２２，２３の一端部どうしをビアなどの層間接続導体で接続してもよい（他端部どうしは接続しない）。また前記のブースター構造はコイル導体２２，２３の線間容量を用いているが、例えば単層でコイル導体を形成し、その一端部と他端部とをコンデンサ素子で接続してもよい。

アンテナ装置１においては、給電コイルアンテナ１５が第１コイルアンテナ１５Ａ及び第２コイルアンテナ１５Ｂによって形成されており、図４（Ａ）に示すように、ブースタコイルアンテナ２０の内側に発生する磁束φ１が主に第１コイルアンテナ１５Ａと結合して閉ループを形成して電磁界結合し、外側に発生する磁束φ２が主に第２コイルアンテナ１５Ｂと結合して閉ループを形成して電磁界結合する。仮に、第１コイルアンテナ１５Ａのみであると、図４（Ｂ）に示すように、外側の磁束φ２が漏れ磁束となる。また、第２コイルアンテナ１５Ｂのみであると、図４（Ｃ）に示すように、内側の磁束φ１が漏れ磁束となる。本アンテナ装置１においては、磁束φ１，φ２が閉ループを形成するため、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。

ところで、ブースタコイルアンテナ２０との結合度を大きくする意味から、第１コイルアンテナ１５Ａはブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３と平面視で重なるように配置されることが好ましい。また、第２コイルアンテナ１５Ｂはブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３の内周縁部又は外周縁部に近接して配置されることが好ましい。さらに、第１コイルアンテナ１５Ａ及び第２コイルアンテナ１５Ｂの配置関係などによって給電コイルアンテナ１５の共振周波数を調整することができる。つまり、コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂの配置関係に応じてトータルのインダクタンス値を変更することができる。

また、ブースタコイルアンテナ２０のみで通信を行うと、通信に障害を生じるヌル点が発生するおそれがある。本アンテナ装置１のようにコイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂを分割して配置することにより、配置関係によって共振周波数を調整することでヌル点の発生を防止することができる。

第２コイルアンテナ１５Ｂに関しては、図５に示すように、コイル導体１７Ｂがブースタコイルアンテナ２０に近接した部分（上部）に片寄って巻回されていてもよい（第１変形例）。この形状にすることによって、磁束φ２が第２コイルアンテナ１５Ｂから抜けやすくなるため、回路基板１０との不要結合を軽減させることができる。その結果、ブースタコイルアンテナ２０と第２コイルアンテナ１５Ｂとの磁束φ２による結合度を大きくすることができる。

また、第２コイルアンテナに関しては、図６に示すように、フェライト板の上に絶縁性基板を貼着した基板１６Ｂ’の表面にコイル導体１７Ｂ'を平面状態でスパイラル状に形成したコイルアンテナ１５Ｂ'（第２変形例）であってもよい。絶縁性基板は、ポリイミドやＬＣＰ、ＰＥＴフィルムなどのフレキシブルな基板でもよく、ガラスエポキシ樹脂などのソリッドな基板であってもよい。

前記第２コイルアンテナ１５Ｂ’を用いた場合のブースタコイルアンテナ２０との電磁界結合は図４（Ａ）で説明したとおりである。即ち、図７に示すように、ブースタコイルアンテナ２０の内側に発生する磁束φ１が主に第１コイルアンテナ１５Ａと結合して閉ループを形成して電磁界結合し、外側に発生する磁束φ２が主に第２コイルアンテナ１５Ｂ’と結合して閉ループを形成して電磁界結合する。

なお、第２コイルアンテナ１５Ｂ’については、そのコイル導体１７Ｂ’を単層の絶縁性基板上にフォトリソ法で平面的に描画したものを示した。それ以外に基板１６Ｂ’を多層基板として、多層基板の内部にコイル導体１７Ｂ’を螺旋状に形成したものであってもよい。基板１６Ｂ’上にコイル導体１７Ｂ'を平面的に形成したコイルアンテナ１５Ｂ'にあっては、図２に示したフェライトコア１６Ｂを用いたコイルアンテナ１５Ｂのように実装面積を小さくすることは困難であるが、コイル導体１７Ｂ'の微細加工が容易である。

コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂの配置に関しては、図８（Ａ）に示すように、ブースタコイルアンテナ２０の二つの辺の一つずつに互いに結合するように離れて配置されていてもよい。あるいは、図８（Ｂ）に示すように、二つの第１コイルアンテナ１５Ａを配置してもよい。図示しないが二つの第２コイルアンテナ１５Ｂを配置してもよい。勿論、コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂの配置個数は２以上の複数であっても構わない。

また、給電コイルアンテナ１５は、図９に示すように、磁性体コア１６を積層した単一物として構成し、該コア１６の一方にコイル導体１７Ａを巻回して第１コイルアンテナ１５Ａとし、他方にコイル導体１７Ｂを内蔵して第２コイルアンテナ１５Ｂとしたものであってもよい。この場合、コイル導体１７Ｂは積層されるシート上に形成した導体をビアホール導体で接続してコイル状に形成されている。

さらに、給電コイルアンテナ１５にチップ部品を搭載する場合は、チップ部品がコイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂの開口部を覆わないようにすることが好ましい。即ち、図１０に示すように、第１コイルアンテナ１５Ａの磁性体コア１６Ａの上下面に非磁性体層１８を積層し、上面側の非磁性体層１８上にチップ部品１９が搭載される。

なお、非磁性体層１８は誘電体であってもよい。また、低透磁率の磁性体であってもよく、あるいは、キュリー温度が使用温度よりも低い磁性体であってもよい。

本アンテナ装置１においては、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との間に磁性体層２５が配置されており、ここで磁性体層２５の作用について図１１を参照して説明する。磁性体層２５としてはフェライトを好適に用いることができる。

図１１は携帯端末の概略内部構成を示し、プリント配線板１０には給電コイルアンテナ１５以外にも種々の電子部品３１やＩＣ３２が実装されている。仮に、磁性体層２５が配置されていないと、図１１（Ｂ）に示すように、ブースタコイルアンテナ２０を通過する磁束φ３が電子部品３１やＩＣ３２に衝突する。これに対して、磁性体層２５を配置することにより、図１１（Ａ）に示すように、磁束φ３が磁性体層２５に引き込まれて電子部品３１やＩＣ３２との干渉が大きく回避され、通信特性が向上する。

次に、前記アンテナ装置１を携帯端末に組み込んだ構造（一実施例）について図１２を参照して説明する。ブースタコイルアンテナ２０は筺体カバー４１の裏面側に貼着されている。プリント配線板１０は筺体本体４０に収容されており、コイルアンテナ１５Ａ，１５Ｂ及びＲＦＩＣチップ３０はこのプリント配線板１０上に実装されている。

プリント配線板１０上には、さらに、カメラ４２や図１１にも示した電子部品３１やＩＣ３２あるいはＵＨＦ帯アンテナ４３などが実装されている。筺体本体４０には、さらに、バッテリーパック４５、プリント配線板４６が搭載されており、プリント配線板４６にはＵＨＦ帯アンテナ４７などが実装されている。プリント配線板１０，４６間は同軸ケーブル４８にて接続されている。

プリント配線板１０上であって少なくともコイルアンテナ１５Ａ及びブースタコイルアンテナ２０の内側に対向する部分には導体層が配置されていてもよい。ブースタコイルアンテナ２０からの漏れ磁束がグランド導体に吸収されることにより、他の部品への影響を避けることができる。このような導体層は、プリント配線板１０に設けられたグランド導体だけでなく、金属箔、液晶パネル、電池パック、シールドケースなどで構成してもよい。

さらに、携帯端末の他の実施例について図１３を参照して説明する。ここでは、第１コイルアンテナ１５Ａ及び第２コイルアンテナ１５Ｂをプリント配線板１０に直接形成している。即ち、第１コイルアンテナ１５Ａがプリント配線板１０の表面から内部に螺旋状に形成され、第２コイルアンテナ１５Ｂがプリント配線板１０の表面に平面的に形成されている。これにて、フェライトコア１６Ａ，１６Ｂが不要になる。

なお、本発明に係るアンテナ装置及び通信端末機器は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

特に、給電コイルアンテナやブースタコイルアンテナの細部の構成、形状などは任意である。また、本発明は、ＨＦ帯のＮＦＣ用のアンテナ装置に限定されるものではなく、ＵＨＦ帯など他の周波数帯や、他の通信システムにも利用できる。

以上のように、本発明は、アンテナ装置及び通信端末機器に有用であり、特に、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度を大きくできる点で優れている。

１０…プリント配線板
１５…給電コイルアンテナ
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｂ’…コイルアンテナ
１６，１６Ａ，１６Ｂ…磁性体コア
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｂ’…コイル導体
２０…ブースタコイルアンテナ
２５…磁性体層
３０…給電回路（ＲＦＩＣチップ）
４０…筺体本体
４１…筺体カバー

Claims

給電回路に接続された給電コイルアンテナと、
巻回されたコイル導体からなり、前記給電コイルアンテナと電磁界結合するように配置されたブースタコイルアンテナと、
を備えたアンテナ装置において、
前記給電コイルアンテナは、コイル導体からなる第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナからなり、かつ、第１コイルアンテナと第２コイルアンテナのそれぞれのコイル導体は互いに同相に接続されており、
第１コイルアンテナは、そのコイル導体の巻回軸が前記ブースタコイルアンテナの巻回軸に対して直交するように、かつ、平面視で前記ブースタコイルアンテナのコイル導体と少なくともその一部が重なるように配置され、
第２コイルアンテナは、そのコイル導体の巻回軸が前記ブースタコイルアンテナの巻回軸に対して平行となるように、かつ、平面視でそのコイル開口の少なくとも一部が前記ブースタコイルアンテナのコイル導体と重ならないように該コイル導体の近傍に配置されていること、
を特徴とするアンテナ装置。
第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナを構成するコイル導体は、直列又は並列に接続されていること、を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナの少なくとも一方は、磁性体と該磁性体の周囲に巻回した前記コイル導体とからなること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナを構成する磁性体は、第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナごとに独立して配置されていること、を特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナを構成する磁性体は、第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナに共通した単一物からなること、を特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
第２コイルアンテナは、そのコイル導体が前記ブースタコイルアンテナに近接した部分に片寄って巻回されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記給電コイルアンテナと前記ブースタコイルアンテナとの間に磁性体層が配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のアンテナ装置。
第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナの開口部を覆わないようにチップ部品が配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のアンテナ装置と、筺体と、該筺体に収容されたプリント配線板と、を備えた通信端末機器であって、
前記給電コイルアンテナは前記プリント配線基板に取り付けられ、
前記ブースタコイルアンテナは前記筺体を覆うカバーに取り付けられていること、
を特徴とする通信端末機器。
前記プリント配線板には少なくとも前記第１コイルアンテナ及び前記ブースタコイルアンテナの内側に対向する部分に導体層が配置されていること、を特徴とする請求項９に記載の通信端末機器。