WO2011077877A1 - アンテナ及び携帯端末 - Google Patents

Abstract

　リーダライタの読み取り面に対して成す角度に依存する通信性能の劣化を抑えたアンテナ及びそれを備えた携帯端末を提供する。　フレキシブル基板（１０）に矩形スパイラル状のコイル導体が形成されている。フレキシブル基板（１０）はコイル導体の巻回中心部に開口を備えている。磁性体シート（１）はフレキシブル基板（１０）の開口を貫通している。アンテナコイル（２１）は回路基板（２０）の端部付近に配置されている。コイル導体のうち第１の導体部分（１１）と第２の導体部分（１２）は、開口を挟んで対向する位置に配置されている。磁性体シート（１）は、第２の導体部分（１２）の近接領域が回路基板（２０）に近接する方向に屈曲している。

Description

アンテナ及び携帯端末

　この発明は、電磁界信号を介して外部機器と通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられるアンテナ及びそれを備えた携帯端末に関するものである。

　ＲＦＩＤシステムで用いられる携帯電子機器に搭載されるアンテナが特許文献１に開示されている。特許文献１のアンテナは、コイル巻回領域の中心部を挟んで相対向する二つの位置の巻線間隔を異ならせた非対称形状のコイルを備え、巻線間隔の大きな側では、ＩＣカードと対向する主面の反対側に磁性体を配置し、巻線間隔の小さな側では、ＩＣカードと対向する主面に磁性体を配置したものである。

特許第３９７５９１８号公報

　ところが、特許文献１に示されているアンテナでは、それを備えた電子機器をリーダライタにかざす際に、電子機器のアンテナとリーダライタのアンテナとの成す角度によっては通信が不能になるおそれがある。すなわち、ＩＣカードと携帯端末とが平行状態で通信を行う場合には問題が少ない。しかしＩＣカードではなく、備え付けのリーダライタなどと通信を行う場合には、携帯端末とリーダライタの位置（角度）が一定とならず、通信性能が劣化する問題がある。

　図１は、特許文献１に示されたアンテナと同様のアンテナと、リーダライタのアンテナとの成す角度を変えたときの、アンテナのコイルを鎖交する磁束について示す図である。図１中の実線の矢印及び破線の矢印はいずれも磁束を模式的に表している。

　磁性体シート１の第１主面は平面導体２に近い側に対面し、コイル導体のうち第１の導体部分１１は磁性体シート１の第１主面に近接し、コイル導体のうち第２の導体部分１２は磁性体シート１の第２主面に近接する。そして、磁性体シート１と前記コイル導体とによるアンテナコイルが平面導体２の端部付近に配置されて、アンテナが構成される。

　図１（Ａ）のように、磁性体シート１とリーダライタ側アンテナ３０とが平行である場合には、すなわち、両者の成す角度が０°の場合は、磁性体シート１に対して右側から入る磁束（実線）が左側から入る磁束（破線）より大きく、コイルには起電力が発生する。

　しかし、その状態から磁性体シート１とリーダライタ側アンテナ３０とを角度をつけた状態にすると、リーダライタから離れた側（右側）から入る磁束が減少し、リーダライタに近い側（左側）から入る磁束が増加するため、ある角度で左右の磁束が完全に等しくなり、起電力が発生しないポイントが発生する。このような状態では通信不能となる。

　そこで、この発明の目的は、リーダライタの読み取り面に対して成す角度に依存する通信性能の劣化を抑えたアンテナ及びそれを備えた携帯端末を提供することにある。

　前記課題を解決するために、この発明のアンテナは、板状の磁性体シート及びこの磁性体シートに巻回されたコイル導体を含んで構成されたアンテナコイルと、このアンテナコイルを有する筐体とを備え、
　前記磁性体シートの第１主面は前記筐体の上面方向を向き、
　前記アンテナコイルは前記筐体の端部付近に配置され、
　前記コイル導体のうち、前記磁性体シートの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体シートの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体シートの厚み方向で重ならない位置にあり、
　第２の導体部分は第１の導体部分に比べて前記筐体の前記端部寄りに配置され、
　前記磁性体シートは、前記第２の導体部分の近接領域が、前記筐体の上面方向に屈曲したことを特徴としている。

　例えば、前記磁性体シートの第１主面側に平面導体を備えている。

　例えば、前記コイル導体はフレキシブル基板の片面にスパイラル状に形成されていて、前記フレキシブル基板は前記コイル導体の形成位置に貫通孔を備え、前記磁性体シートは前記貫通孔に挿入されている。

　例えば、前記磁性体シートは、シート状に成型された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である。

　例えば、前記磁性体シートは、前記筐体の前記端部寄りの部分が他の部分に比べて幅が太い。

　例えば、前記アンテナコイルは、前記磁性体シート及び前記フレキシブル基板の形状を保つ支持台に配置されている。

　例えば、前記アンテナコイルは、前記筐体内に設けられている回路基板に実装されている。

　この発明の携帯端末は、前記アンテナと、前記筐体内に収容された通信回路とで構成される。

　この発明によれば、リーダライタのアンテナに対して前記アンテナの成す角度が０°～９０°の範囲内で、コイル導体を鎖交する互いに逆方向の磁束が等しくなることがなく、すなわち磁束を互いに打ち消しあうことがなく、０°～９０°の範囲又はそれ以上の範囲で通信を安定に行うことができる。

　また、前記磁性体シートを、磁性体粉と樹脂材との混合体、又は、小片化された焼結磁性体で構成することにより、アンテナコイル全体に柔軟性をもたせることができ、携帯端末等の組み込み先電子機器の筐体内に高い自由度のもとで組み込める。

特許文献１に示されたアンテナと同様のアンテナと、リーダライタのアンテナとの成す角度を変えたときの、アンテナのコイルを鎖交する磁束について示す図である。 図２（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１の平面図、図２（Ｂ）は、アンテナ１０１の正面図である。 図３（Ａ）はアンテナコイル２１の構成要素である磁性体シート１とフレキシブル基板１０の構成を示す平面図、図３（Ｂ）はフレキシブル基板１０に磁性体シート１を挿入して構成されたアンテナコイルの平面図、図３（Ｃ）はアンテナコイル２１の正面図である。 アンテナコイル２１を支持台１３に貼付した状態での正面図である。 第１の実施形態に係るアンテナを筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナ３０にかざす角度θを変化させたときの、アンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。図５（Ａ）はθ＝－４５°での磁束の経路、図５（Ｂ）はθ＝０°での磁束の経路、図５（Ｃ）はθ＝４５°での磁束の経路である。 第２の実施形態に係るアンテナを筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナ３０にかざす角度θを変化させたときの、アンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。図６（Ａ）はθ＝０°での磁束の経路、図６（Ｂ）はθ＝４５°での磁束の経路、図６（Ｃ）はθ＝９０°での磁束の経路である。 リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。 図８（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナに用いられるアンテナコイルに備える磁性体シート１及びフレキシブル基板１０の平面図、図８（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。 図９（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体シート１及びフレキシブル基板１０の平面図、図９（Ｂ）は第４の実施形態に係るアンテナコイル２４の平面図である。 第５の実施形態に係る二つのアンテナの主要部の正面図である。 図１１（Ａ）は第６の実施形態に係るアンテナおよび携帯端末の構成を示す断面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の部分拡大図である。

《第１の実施形態》
　第１の実施形態に係るアンテナの構成を、各図を参照して説明する。
　図２（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１の平面図である。アンテナ１０１は、アンテナコイル２１、それを支持する支持台１３、及び矩形板状の回路基板２０を備える。図２（Ｂ）は、前記アンテナ１０１の正面図である。アンテナコイル２１及び支持台１３は回路基板２０の一辺付近に配置されている。

　図３（Ａ）はアンテナコイル２１の構成要素である磁性体シート１とフレキシブル基板１０の構成を示す平面図、図３（Ｂ）はフレキシブル基板１０に磁性体シート１を挿入して構成されたアンテナコイルの平面図である。図３（Ｃ）はアンテナコイル２１の正面図である。

　図３（Ａ）に示されているように、フレキシブル基板１０にスパイラル状のコイル導体ＣＷが形成されている。また、フレキシブル基板１０には、コイル導体ＣＷの巻回中心部に開口ＡＰを備えている。

　コイル導体ＣＷのうち第１の導体部分１１と第２の導体部分１２は、開口ＡＰを挟んで対向するように配置されている。
　コイル導体ＣＷのうち、磁性体シート１の第１主面Ｓ１に近接する第１の導体部分１１と、磁性体シート１の第２主面Ｓ２に近接する第２の導体部分１２とは、磁性体シート１の厚み方向で重ならない位置にあり、
　第２の導体部分１２は第１の導体部分１１に比べて回路基板２０の一辺寄りに配置されている。

　磁性体シート１は、フェライト粉などの磁性体粉と樹脂材との混合体が矩形板状に成形されたもの、又は小片化された焼結磁性体が矩形板状に成形されたものである。この磁性体シート１は、フレキシブル基板１０の開口ＡＰを貫通する状態に設けられる。この状態で、磁性体シート１とコイル導体ＣＷとを備えたアンテナコイル２１が構成されている。

　図２において、回路基板２０には面状に広がるグランド電極が形成されている。図２に示されているように、磁性体シート１の第１主面Ｓ１が回路基板２０側に対面するようにアンテナコイル２１が配置されている。

　なお、アンテナ１０１は携帯端末の筐体内に収納されるが、図２では筐体を除いた状態で表している。

　図４は、アンテナコイル２１を支持台１３に貼付した状態での正面図である。支持台１３は底面が台形の柱状体であり、その支持台１３の鈍角で交わる二つの面に沿ってアンテナコイル２１が両面粘着シートなどを介して貼付される。したがって、アンテナコイル２１を構成する磁性体シート１及びフレキシブル基板１０のうち、第２の導体部分１２の形成領域が、回路基板２０に近接する方向に屈曲した状態を保つことになる。

　なお、支持台１３にアンテナコイル２１が貼付されたユニットが回路基板２０に実装される。アンテナコイル２１のコイル導体の両端は回路基板上の所定の端子電極に接続される。この接続構造については図示を省略している。

　図５は、第１の実施形態に係るアンテナを筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナ３０にかざす角度θを変化させたときの、アンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。図５中の矢印線は磁束の経路を模式的に表している。
　図５（Ａ）はθ＝－４５°での磁束の経路、図５（Ｂ）はθ＝０°での磁束の経路、図５（Ｃ）はθ＝４５°での磁束の経路である。
　θ＝－４５°のとき、リーダライタの磁束ＭＦｆは、磁性体シート１を透過して、第１の導体部分１１及び第２の導体部分１２を含むコイルと鎖交する。

　θ＝０°のときにも、リーダライタの磁束ＭＦｆは、磁性体シート１を透過して、第１の導体部分１１及び第２の導体部分１２を含むコイルと鎖交する。

　θ＝４５°のときにも、リーダライタの磁束ＭＦｆは、コイル導体の巻回中心部ＣＣから入り、第２の導体部分１２が近接する側の磁性体シート１の端部（図５（Ｃ）における左端側）ＡＥ２へ抜ける。この磁束ＭＦｆはコイルに対して正方向に鎖交する。すなわち、磁性体シート１は、その第２の導体部分１２の近接領域が、回路基板２０に近接する方向に屈曲しているので、磁束ＭＦｆはコイル導体の巻回中心部ＣＣから入って、磁性体シート１の端部ＡＥ２へ抜ける。
　一方、リーダライタの磁束ＭＦｒの一部は、磁性体シート１を、その端部ＡＥ２から他方の端部ＡＥ１方向へ、又はコイル導体の巻回中心部ＣＣ方向へ抜ける。すなわち磁束ＭＦｒの一部はコイルを逆方向に鎖交する。しかし、端部ＡＥ２の近傍には回路基板２０が存在しないため、磁束ＭＦｒの多くは回路基板２０の側をそのまま素通りする。すなわち、磁性体シート１の端部ＡＥ２付近の磁束ＭＦｒの一部が端部ＡＥ２から磁性体シート１に入るだけである。そのため、前記逆方向に鎖交する磁束の強さは問題とはならない。

　また、アンテナコイル２１の第２の導体部分１２が回路基板２０の一辺寄りに配置されているので、コイルを逆方向に鎖交しようとする磁束は回路基板２０で遮蔽される。すなわち、回路基板２０を磁束が通ると、それにより回路基板の電極（グランド電極等の平面導体）にうず電流が誘起され、うず電流が逆方向の磁束を発生する。そのため、回路基板２０により磁束が弱められる（遮蔽される）ことになる。この作用によっても、コイルを逆方向に鎖交する磁束は正方向に鎖交する磁束より充分に抑制される。

　このように、リーダライタ側アンテナ３０に対して携帯端末をかざす角度θが－４５°～４５°のいずれの角度であっても、起電力が０になるような状況は生じない。

《第２の実施形態》
　図６は、第２の実施形態に係るアンテナ１０２を筐体内に納めた携帯端末をリーダライタ側アンテナ３０にかざす角度θを変化させたときの、アンテナコイルを通る磁束の様子を模式的に表した図である。図６中の矢印線は磁束の経路を模式的に表している。
　第１の実施形態では、支持台として、底面が台形の柱状体を用いたが、第２の実施形態では、直交する二つの平面を有する支持台１４にアンテナコイル２２を貼付している。したがって、磁性体シート１は直角に屈曲された形状となっている。

　図６（Ａ）はθ＝０°での磁束の経路、図６（Ｂ）はθ＝４５°での磁束の経路、図６（Ｃ）はθ＝９０°での磁束の経路である。
　θ＝０°のとき、リーダライタの磁束ＭＦｆの一部は、磁性体シート１を透過して、第１の導体部分１１及び第２の導体部分１２を含むコイルと鎖交する。

　θ＝４５°のときにも、リーダライタの磁束ＭＦｆの一部は、磁性体シート１を透過して、第１の導体部分１１及び第２の導体部分１２を含むコイルと鎖交する。

　θ＝９０°のときにも、リーダライタの磁束ＭＦｆの一部は、磁性体シート１を透過して、第１の導体部分１１及び第２の導体部分１２を含むコイルと鎖交する。また、磁束ＭＦｆの一部は、コイルと鎖交せずに磁性体シート１のみを通過する。さらに、リーダライタの磁束ＭＦｒの一部が磁性体シート１の図における左端から入り、コイルを逆方向に鎖交する。この磁束ＭＦｒとの鎖交によって、コイルに生じる起電力は低下する。

　図７はリーダライタに対する携帯端末のかざす角度θと最大通信距離との関係を示す図である。ここで、特性ラインＡは、第２の実施形態に係るアンテナコイル２２を備えたアンテナの特性、特性ラインＢは、比較対照のアンテナの特性である。比較対照のアンテナは支持台を設けずに、アンテナコイル２２全体を回路基板に平行に配置したものである。

　支持台を設けないで、アンテナコイル２２全体を回路基板に平行に配置したアンテナでは、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θが５０°付近で最大通信距離が最低となる。これに対し、第２の実施形態に係るアンテナでは、リーダライタに対する携帯端末のかざす角度θが０°から９０°の範囲内に谷が生じることはない。そのため、広い角度範囲で最大通信距離を大きく確保できる。

《第３の実施形態》
　図８（Ａ）は第３の実施形態に係るアンテナに用いられるアンテナコイルに備える磁性体シート１及びフレキシブル基板１０の平面図、図８（Ｂ）は第３の実施形態に係るアンテナコイル２３の平面図である。
　図３に示したアンテナコイル２１と異なるのは、磁性体シート１の一方端が他の部分より太く形成されていることである。

　このような形状の磁性体シート１を用いることにより、磁性体シート１を通る磁束が強くなり、通信相手のアンテナとの磁界結合を強めることができ、通信可能最長距離が長くなるなど、通信性能が向上する。特に、磁性体シート１の第１の導体部分１１に近接する部分を他の部分より太くすることによって、回路基板の端部付近での集磁効果が高まり、通信性能がより向上する。

　なお、図８に示したアンテナコイル２３では、磁性体シート１の一方の端部の全体が広く（太く）形成されているが、この部分は外側程広い台形状であってもよい。また、磁性体シート１の中央から両端部にかけて共に幅が広くなる蝶形状であってもよい。

《第４の実施形態》
　図９（Ａ）は第４の実施形態に係るアンテナコイルに備える磁性体シート１及びフレキシブル基板１０の平面図、図９（Ｂ）は第４の実施形態に係るアンテナコイル２４の平面図である。このアンテナコイル２４は、矩形板形状の磁性体シート１とコイル導体が形成されたフレキシブル基板１０を備えている。図８（Ｂ）に示されているアンテナコイル２２と異なるのは、磁性体シート１の構造である。

　図９（Ａ）に示されている磁性体シート１は、予め、碁盤目状に切り込みを入れた平板状のフェライトの両面をフィルムでラミネートしたものを複数に小片化したものである。図９中の破線で区切られた部分は、焼結磁性体の小片を表している。このような構成により、磁性体シート１全体は柔軟性をもつことになる。そのため、このアンテナコイル２３は支持台の面に沿って容易に配置できる。また、例えば携帯端末の筐体の内面に沿って設けることができる。したがって種々の形状の筐体内に容易に組み込める。

《第５の実施形態》
　図１０は第５の実施形態に係る二つのアンテナの主要部の正面図である。図１０に示すように、曲面を有する支持台１５にアンテナコイル２１を貼付してもよい。

《第６の実施形態》
　図１１（Ａ）は第６の実施形態に係るアンテナ２１および携帯端末２０１の構成を示す断面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の部分拡大図である。

　この携帯端末２０１の筐体は、絶縁性の表面側筐体４１Ｆおよび裏面側筐体４１Ｂで構成されている。表面側には表示部（液晶表示パネル）４４やキー入力部４５が設けられている。裏面側には電池パック４３が設けられている。

　携帯端末２０１は裏面側筐体４１Ｂの内面に、その内面形状に沿ってアンテナ２１が貼付されている。例えば両面粘着シートを介在させて貼り付けられている。このアンテナ２１の構成は第１の実施形態で示したアンテナ２１と同様である。

　表面側筐体４１Ｆおよび裏面側筐体４１Ｂによる筐体の内部には回路基板２０が収納されている。この回路基板２０にはピン端子４２が突設されている。アンテナ１のフレキシブル基板１０に形成されている端子電極にピン端子４２が当接する。このピン端子４２を介して、アンテナ２１が回路基板上の通信回路に電気的に接続される。なお、回路基板２０の内部にはグランド電極ＧＮＤが形成されている。

　このように、アンテナ２１は回路基板に実装する構造以外に、筐体に取り付けることができる。しかも、筐体の曲面に合わせて磁性体シート１およびフレキシブル基板１０を屈曲状態で支持させることができる。

《他の実施形態》
　以上に示した各実施形態では、基板のグランド電極を平面導体の例として示したが、液晶表示パネルの背面に配置されるシールド板、筐体の内面に形成されている導体膜や導体箔、さらには電池パックを平面導体として扱い、アンテナを構成することもできる。

　また、以上に示した各実施形態では、アンテナを筐体の内部または内面に配置したが、筐体の外面に沿ってアンテナを配置してもよい。この場合、アンテナのフレキシブル基板の一部を筐体内に引き込み、筐体内の回路基板に電気的に接続すればよい。

ＡＰ…開口
ＣＣ…巻回中心部
ＣＷ…コイル導体
ＭＦｆ，ＭＦｒ…磁束
Ｓ１…磁性体シートの第１主面
Ｓ２…磁性体シートの第２主面
１…磁性体シート
１０…フレキシブル基板
１１…第１の導体部分
１２…第２の導体部分
１３，１４，１５…支持台
２０…回路基板
２１～２４…アンテナコイル
３０…リーダライタ側アンテナ
４１Ｆ…表面側筐体
４１Ｂ…裏面側筐体
４２…ピン端子
４３…電池パック
４４…表示部
４５…キー入力部
１０１，１０２…アンテナ
２０１…携帯端末

Claims (8)

1. 　板状の磁性体シート及びこの磁性体シートに巻回されたコイル導体を含んで構成されたアンテナコイルと、このアンテナコイルを有する筐体とを備えたアンテナにおいて、
   　前記磁性体シートの第１主面は前記筐体の上面方向を向き、
   　前記アンテナコイルは前記筐体の端部付近に配置され、
   　前記コイル導体のうち、前記磁性体シートの第１主面に近接する第１の導体部分と、前記磁性体シートの第２主面に近接する第２の導体部分とは、前記磁性体シートの厚み方向で重ならない位置にあり、
   　第２の導体部分は第１の導体部分に比べて前記筐体の前記端部寄りに配置され、
   　前記磁性体シートは、前記第２の導体部分の近接領域が、前記筐体の上面方向に屈曲した、アンテナ。
2. 　前記磁性体シートの第１主面側に平面導体を備えた、請求項１に記載のアンテナ。
3. 　前記コイル導体はフレキシブル基板の片面にスパイラル状に形成されていて、前記フレキシブル基板は前記コイル導体の形成位置に開口を備え、前記磁性体シートは前記開口に挿入された、請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 　前記磁性体シートは、シート状に成形された、磁性体粉と樹脂材との混成体、又は複数に小片化された焼結磁性体である、請求項１乃至３の何れかに記載のアンテナ。
5. 　前記磁性体シートは、前記筐体の前記端部寄りの部分が他の部分に比べて幅が太い、請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ。
6. 　前記アンテナコイルは、前記磁性体シート及び前記フレキシブル基板の形状を保つ支持台に配置された、請求項３乃至５の何れかに記載のアンテナ。
7. 　前記アンテナコイルは、前記筐体内に設けられている回路基板に実装されている、請求項１乃至６の何れかに記載のアンテナ。
8. 　請求項１乃至７の何れかに記載のアンテナと、前記筐体内に収容されて前記アンテナを用いて通信を行う通信回路とを備えた、携帯端末。

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